2. Fizikai réteg 2.1 Elméleti alapok 2.1.1 A fizikai csatorna jellemzői. Az adatok átvitele egy fizikai csatornán mindig a csatorna fizikai jellemzőinek mértékében bekövetkező változással történik. Megváltoztathatjuk az áramkörben a feszültséget, az áramot, a frekvenciát, a fázisszöget. Jelhordozó lehet a fény intenzitása, vagy akár a felszálló füst megszakítása is (indián füstjelek). A digitális jelátvitel legfőbb előnyei az analóg rendszerekhez képest:
a jelek regenerálhatók,
nem kell megkülönböztetnünk a források jellegét. Hang, kép, stb. digitalizálása után egységes módon kezelhető az eleve digitális forrásokkal.
Fontos, hogy a jelek regenerálásakor helyreállítjuk a jelszintet és jelalakot is. A regenerálás utáni jel mentes a bejövő zajoktól. Az analóg erősítő nem változtat (csak ronthat) a bemeneten megjelenő jel/zaj viszonyon. Az adatátvitel jellemzőit a jelek gyengülése, és a csatorna zaja befolyásolja. Információ forrás
Adó
Csatorna
Vevő
Cél
üzenet
Zaj forrás
2.1 ábra . Kommunikáció általános modellje. A csatorna legfontosabb jellemzői:
sávszélesség
zaj
kódolási eljárás.
Sávszélesség alatt általában az átvitt legmagasabb és legalacsonyabb frekvencia különbségét értik, ahol a frekvencia átviteli függvény 3 dB-el csökken. A valós
29
rendszerekben a sávszélességet műszaki eszközökkel korlátozzák, az alsó és felső határfrekvenciánál meredek levágás van. Jó közelítéssel azt mondhatjuk, hogy a sávon belül van jel, a sávon kívül nincs jel. A szokásos telefonhálózat sávszélessége 3000 Hz. Szerencsére az előfizető és a központ közti szakasz levágási meredeksége nem éles, amit sok rendszer kihasznál. A csatornán másodpercenként bekövetkező jelváltások száma a jelzési sebesség (signalising rate) vagy baud. Egy jelzés azonban több bitet is hordozhat. Ha a jelzési szintünk pl.: +3V, +1V, -1V, -3V, akkor egy feszültségszínt 2 bitet kódolhat. H. Nyquist határozta meg (1924) egy csatorna maximális adatsebességét a sávszélesség és a jelzési szintek száma alapján:
Max adatsebesség =2H*log2V
H a csatorna sávszélessége V a jelzési szintek száma . Pl.: egy 16 állapotú kódolást használó rendszer telefon vonalon elérhető sebessége Max sebesség = 2*3000*log216=6000*4=24000 bit/sec Látszólag tehát egy csatornán a jelzési szintek számának növelésével tetszőleges mennyiségű adat továbbítható. Józan műszaki érzékünk azt sugallja, hogy nem lehet így. A jelzési szintek egy idő után nem megkülönböztethetőek a zaj miatt. A zajos csatornára dolgozott ki Claude Shannon (1948) elméletet, mely szerint a Maximális adatsebesség = H*log2(1+S/N)
H a csatorna sávszélessége S/N a jel/zaj viszony Ez abszolút korlát, amit kódolási trükkökkel nem tudunk növelni.
30
Nézzük példaként egy szokásos 30 dB jel/zaj viszonyú telefonvonalon elérhető sebességet ( 30dB = 1000szeres jel/zaj viszonyt jelent ). Max sebesség = 3000* log2(1+1000)=3000*log1001/log2 30000 bit/sec A kapott eredmény jól illeszkedik az ismerős 28.8 kbit/sec MODEM sebességhez. A megfontolásból az is látszik, hogy nagyon nagy zaj mellett is lehetséges adatátvitel, de alacsony sebességgel. Az űrszondák jelei esetenként ezerszer gyengébbek, mint a háttérzaj, ennek ellenére lehetséges az adatátvitel. 2.1.2 Vonalak megosztása A tényleges fizikai összeköttetéseket nevezzük a következőkben vonalaknak. A fizikai összeköttetésen létrejövő összeköttetéseket, melyeken az információk áramlanak nevezzük csatornáknak. A legtöbb kapcsolatban egy csatorna nem foglalja el folyamatosan egy vonal kapacitását, tehát célszerű egy vonalon több csatornát létrehozni. Előfordul ennek a fordítottja is , mikor több vonalat használunk fel egy összeköttetés nagyobb sebességű kiszolgálására. A vonal megosztása lehetséges előre rögzített módon, vagy forgalomtól függően. Ha minden bemeneti csatornához rendelünk egy kimeneti csatornát, akkor ezt multiplexelésnek nevezzük. Multiplexelésnél az adatvonal előre rögzített módon kerül felosztásra. A csatornák nem versengenek a vonalért. Torlódás nem tud keletkezni a vonalon, mert a csatornakapacitások rögzítettek, és nem tudják egymás kapacitását megszerezni. A multiplexelés két szokásos módja : frekvenciaosztásos és az időosztásos. A frekvenciaosztásnak az az alapja, hogy egy összegzett jelből szűrőkkel le tudjuk választani az összetevőket. A rádióvevőnk antennáján az összes bejövő jel összege van jelen. Ebből válogatjuk ki szűrőkkel az egyes komponenseket (állomásokat). A távközlésben ezzel analóg, hogy a csatornák jeleit egy-egy vivőre (mintha különböző rádióállomások lennének) ültetjük rá. A vivőfrekvenciák lehetnek néhány kHz tartományban, vagy többszáz MHz-es tartományban is.
31
Az időosztásos módszernél minden elemi adatcsatorna periodikusan egy-egy időszeletet kap. Az időszeletekbe egymás után helyezzük el a bemeneti csatornák adatfolyamainak egy-egy meghatározott hosszúságú darabját. Vevőoldalon az időszeletek sorrendjében helyezzük el a darabokat a kimeneti multiplexer tárolóiba. Ha szinkronizáljuk a bemeneti és kimeneti kapcsoló egységeket (multiplexer / demultiplexer) , akkor a két végpont számára az adatcsatorna olyan jellegű, mintha egyedül birtokolna egy vonalat. A vonalak kihasználtsága ezzel a módszerrel nem túl jó, hiszen a nem használt csatornák is foglalják a vonalkapacitást. A vonalak legjobb kihasználását az üzenetkapcsolt és csomagkapcsolt rendszer biztosítja. A csomagkapcsolásnál (üzenetkapcsolásnál) a csomagok mindig abban az irányban haladnak, ahol a vonalon van szabad kapacitás. Ha több párhuzamos út létezik, akkor a csomagok párhuzamosan is haladhatnak. A jó vonalkihasználtság sajnos azt is jelenti, hogy a csomagok a vonalon torlódhatnak, ha ugyanarra a csomópontra több irányból is érkezik csomag, és a sorrendjük is felcserélődhet. A vevőoldalnak kell gondoskodni a sorrend helyreállításáról. Egy nem túlterhelt csomagkapcsolt hálózat a folytonos kapcsolat látszatát teremti meg a felhasználónak, ha a csomagbeérkezési statisztika nem mutat nagy szórást. A vonalkapcsolt rendszerekben különböző végpontokat kötünk össze a végpontok számánál jóval alacsonyabb számú közös használatú vonallal. A vonalak használata egy-egy összeköttetés ideje alatt kizárólagos, más összeköttetés nem tudja használni. A vonalkapacitások kihasználása a közös használatú (központ-központ) szakaszon sem optimális, mert nem tudjuk kihasználni az információáramlásban bekövetkező szüneteket. Egy emberi beavatkozással vezérelt végpont ( PC ) általában a vonalkapacitás 3%-át sem veszi igénybe átlagosan.
32
2.1.3 Távközlő hálózatok kapcsolástechnikája A távközlő hálózatokban az adatátviteli út használatának jellege szerint
vonalkapcsolt,
üzenetkapcsolt,
csomagkapcsolt, rendszerekről beszélünk.
Vonalkapcsolt a rendszer , ha a forrás és a cél között állandó, fizikai kapcsolat jön létre. A vonal lehet rézvezeték, rádióhullám, fény, bármi. A legfontosabb jellemző az, hogy a kapcsolat az információtartalomtól függetlenül fennáll. A telefon kapcsolat pl. ha létrejött, létezik, független attól, hogy beszélünk vagy sem. A végpontokat összekötő útvonalat az adatok továbbítása előtt kell létrehozni. A kapcsolni kívánt végpont lehet foglalt, és nem jön létre az összeköttetés. A kapcsolat létrejötte után azonban nem lehet torlódás, más állomás nem tudja megszerezni a vezérlést. A két végpont között a késleltetéseket csak a vonal tulajdonságai szabják meg. Ez valós idejű alkalmazásoknál döntő szempont lehet. h í v á s fo g a d á s i je l
D AB tr ö n k
h í v á s k e z d e m é n y e z ő je l C
BC tr ö n k
k i m e n ő tr ö n k k eres é s e
B CD tr ö n k
v o n a l i k é s l e l t e té s
A
t e lje s á t v i te l i i d ő
Id ő
a d a tá t v i te l
l e b o n tá s
2.5 ábra.Vonalkapcsolás Az ábrán látható, hogy a kapcsolat felépítés ideje jelentős lehet. Analóg rendszerekben 30 másodperc is lehet. Az adattovábbítás után a vonal lebontásáról is gondoskodnunk kell. Az üzenetkapcsolt rendszer tulajdonságai a levélhez hasonlóak. Nem kell a forrástól a célig vezető utat egyidőben felépíteni. Mindig a következő csomópontba 33
juttatjuk el az üzenetet. Az üzenet fejrésze tartalmazza a forrás és célcímet. A célállomásnak nem kell bekapcsolva lenni, mikor az üzenetet elküldjük. A csomópontokban megvárjuk a teljes üzenet végét, ellenőrizzük a hibátlanságot, aztán továbbítjuk. Ez a „tárol és továbbít” (store and forward) eljárás. Az üzenetek tárolása miatt az üzenetkapcsolóknak nagy tárolókapacitással kell rendelkezni. Az üzeneteket túlságosan nagy helyfoglalása ellen úgy védekezhetünk, hogy a korlátozzuk afelhasználók maximális területfoglalását. Tipikusan üzenetkapcsolt rendszer az
e– mail. Üzenetkapcsolt rendszer a hagyományos
távíró is. Itt fizikailag is megjelenik az „üzenet” a nyomtatott távirat formájában. Host
D
sorbanállási késleltetés
C
B üzenet fejrész A
vonali késleltetés
Idő
2.6 ábra. Üzenetkapcsolt rendszer. Az üzenet méretét elvben semmi sem korlátozza, így a routereknek beláthatatlan méretű pufferekkel kellene dolgozni, továbbá egy üzenet hosszú időre foglalttá tudna tenni egy irányt. Ezért fejlesztették ki a csomagkapcsolási eljárást. A mai adatátviteli rendszerekben az IMP-k között csomagkapcsolt az átvitel, és az IMP további tevékenysége határozza meg a működés jellegét. Ha a teljes üzenet beérkezése után kezdjük meg a továbbítást a következő csomópontra, és az üzenet tetszőleges (természetesen korlátozott) ideig a csomópontban marad, akkor ez üzenetkapcsolt rendszer. A csomagkapcsolt (packet switching) hálózatban az adatblokk méretének felső korlátot szabunk.. Ez elsősorban a routerek számára jelentős, mert így a csomagok helyfoglalása nem léphet túl egy meghatározható értéket, a csomagok az operatív tárban tárolhatók.
34
2.7. ábra. Csomagkapcsolt átvitel. Az adatátviteli vonalak nem foglalhatók le egy alkalmazás számára hosszabb időre, így alkalmasak interaktív alkalmazások (ember-gép kapcsolat) megvalósítására. A csomagkapcsolt rendszerben hatékony a vonalak kihasználása. Több rendelkezésre álló útvonal esetén párhuzamosan is haladhatnak az adatok. A veszteség oldalon könyvelhetjük el, hogy a csomagok eláraszthatnak egy IMP-t, annyira, hogy az csomagokat veszít. A csomagok sorrendje változhat az átvitel során. Egy később indított csomag korábban beérkezhet. ( A 2.7 ábrán erre látunk példát. A B3-E2 útvonalon haladó csomagot megelőzi a B2-C-E3 útvonalon haladó csomag.) A csomagok szélsőséges esetben sokáig bolyonghatnak a hálózatban, és az utolsó hiányzó megérkezéséig nem állítható össze az adatblokk. Belátható, hogy korlátoznunk kell azt az időt, míg a csomagokra várunk.
35
A meg nem érkezett csomagot egy idő után újra kell adni, és gondoskodni kell arról, hogy a régi megsemmisüljön.
Vannak időkritikus alkalmazások, ahol a várakozást korlátozni akarjuk, és megengedhető a csomagok néhány százalékának elvesztése. A megvalósíthatóság elemzésére készíthetünk egy csomagbeérkezési statisztikát. Ha a csomagok beérkezési ideje nem mutat nagy szórást, akkor jelentős veszteség nélkül korlátozhatjuk a maximális várakozási időt.
csomag beérkezési csomag beérkezési gyakoriság gyakoriság összeállít összeállít
eldob eldob
idő idő minimális beérkezési idő minimális beérkezési idő csomag élettartam csomag élettartam
2.8. ábra. Csomagok beérkezési gyakorisága. Egy csomag legrövidebb beérkezési ideje az optimális útvonalon létrejövő késleltetés. Ennél korábban nem érkezhet csomag. Lesz egy átlagos beérkezési idő, majd egyre csökkenő gyakorisággal érkeznek a protokoll által meghatározott maximális időtartamig. Később nem érkezhet csomag, mert megsemmisül az 36
időszámláló lejáratakor. Ha a csomagok jelentős része (98%-a) beérkezik a maximálishoz képest nagyon rövid idő alatt, akkor a később érkezőket egyes alkalmazásoknál eldobhatjuk. Ezt az elvet követi pl. a csomagkapcsolt hálózaton létrehozott telefon szolgáltatás. A telefon jellegéből adódóan a vevőoldal nem várhat 10-20 másodpercet a csomagok összerakására, legfeljebb 0,5-0,6 másodpercet. A csomagok nagy része ezen az időtartamon belül megérkezik. A hiányzó csomagok a beszéd érthetőséget rontják, de a természetes redundancia miatt az érthetőség megmarad, és a késleltetés is elfogadható szinten tartható. A kapcsolási módok tulajdonságainak összefoglalása:
Jellemző
Vonalkapcsolt
Üzenetkapcsolt
Csomagkapcsolt
Dedikált vezetékes útvonal
Van
Nincs
nincs
Rendelkezésre álló sávszélesség
Állandó
Változó
Változó
Tárol és továbbít működés
Nincs
Van
Van
A csomagok útvonala
Állandó
Változó
Állandó
Kapcsolat felépítés
Van
Nincs
Nincs
Torlódás lehetséges ideje
Kapcsolat felépítés
Bármelyik
Bármelyiks
üzenetnél
csomagnál
Nem
igen
Cél állomás lehet-e foglalt?
Igen
A távközlési útvonalak kialakításában fontos szerepük van a központoknak, illetve az ott elhelyezett kapcsológépeknek. A legegyszerűbbnek látszik, hogy egy mátrix két éléhez rendeljük az összes állomást, és a kapcsolat létrehozása a közös mátrixpont bekapcsolását jelenti. Ezen az elven működik a keresztpontos kapcsológép. A kapcsolás létrehozható félvezető eszközökkel , vagy relékkel.
1 2 3 5 6 1 2 3 4 5 6 2.9. ábra. Keresztpontos kapcsológép elve 37
A kapcsológép mérete az állomások számának négyzetével arányos. Valójában elegendő a mátrix felét megvalósítani( a főátló egyik oldalát), de ez sem változtat azon, hogy a méretek nagyon hamar kezelhetetlenül naggyá válnak. Jelentősen csökkenteni lehet a méreteket, ha több ilyen rendszert egymás után kapcsolunk. Az egyes részek előválasztást végeznek, nem a célállomást, csak a célok egy csoportját jelölik ki. Az előválasztás azonban számottevően rontja a számmezők kihasználtságát. Ha kiválasztottuk egy csoportot, mondjuk a 72-es körzetet, akkor függetlenül attól, hogy ebben a körzetben 10 vagy 100 000 telefon van, „elhasználtuk” a számmezőt. A digitális félvezető technikához és logikához közelebb áll az az időosztásos kapcsoló. Az időosztásos kapcsoló (Time division switch) mérete az állomások számával lineárisan nő.
időréscserélő bemeneti vonalak 0
n
kimenő vonalak bemeneti keretek
n darab időrés
0
kimeneti keretek
számláló
n
n darab k bites szóhosszú RAM tároló
n szavas leképzési tábla
2.10. ábra. Időrés cserével működő kapcsológép. A bemeneti vonalakon lévő digitális információt (kereteket) egymás után elhelyezzük egy-egy időrésben. Ha „n” bemeneti vonalunk van és egy keret „k” bitből áll, akkor 38
egy keretcsoport tárolásához n * k szavas tárra van szükség. A kapcsológép lényege az hogy a tárolóból a keretek beírási és kiolvasási sorrendje eltérő lehet. A kimenő oldalon az időrések sorrendje megváltozik a leképzési táblában megadott sorrendnek megfelelően. Az „n” kimeneti vonalra az időrések sorrendjében kiküldött keretek számára ez olyan, mintha a megfelelő vonalakat összekötöttük volna. A kapcsoló méretet az korlátozza, hogy egy bemeneti keretnyi idő áll rendelkezésre a feldolgozáshoz, ha nem akarjuk a kapcsolóval lerontani a vonalak teljesítményét. A keretidő idő alatt kell „n” keretet kell beírni és kiolvasni a pufferből. Példaként válasszunk egy ATM-T1 keretet, ami 125sec hosszú. Ha egy memória művelet T= 60 nsec-ig tart, akkor a bemeneti vonalak száma n=125sec /2T =125*10-6 / 60*10-9 1000 lehet, mivel a beírási és a kiolvasási időt is figyelembe kell vennünk. Nagyobb rendszerekben tehát itt is szükség van az előválasztásra, hogy a vonalszámunk kielégítően nagy lehessen. A keresztrudas kapcsolóhoz képest a javulás drámai, hiszen ugyanekkora kapcsolót fél millió mátrixponttal lehetne megvalósítani.
2.2. Az adatátviteli közeg Az átviteli közegnek két nagy csoportja: -
vezetékes (réz, optikai szál)
-
vezeték nélküli (rádió, laser sugár, magneto-optikai hordozó)
A legegyszerűbb adatátviteli módszer, ha a hordozóra (kazetta, mágnesszalag, optikai lemez) rögzített adatot átvisszük egy másik számítógépre. Nagytömegű adat mozgatásánál valószínűleg gyorsabb megoldás, mint a leggyorsabb hálózat. A rézvezetékes összeköttetések jelentőségét az adja, hogy a földön lefektetett kábelekkel többszörösen el lehetne érni a holdat. Hatalmas beruházás, aminek az értékét igyekeznek megőrizni. A vezetékben gyors jelváltozások vannak, ami azt jelenti, hogy a vezetékeink antennaként sugároznak. 39
Az egyszerű párhuzamos vezetőkből álló kábelnek nagy a csillapítása, és erősen sugároz. A megoldás a koax – kábel és csavart érpár. 2.2.1. Koax - kábelek A koax – kábelek külső köpenye jól árnyékolja a belső eret, ha megfelelően földeltük.
Külső vezető
2.2 ábra . Koax kábel szerkezete.
2.11 ábra. Koaxiális kábel szerkezete. A koax – kábel főbb jellemzői: -
hullám impedancia
-
csillapítás a frekvencia függvényében
-
késleltetési idő
A szokásos hullámimpedanciák 50, 75, 93, 110 ohm. Kereskedelmi forgalomban több GHz -en használható kábelek is kaphatók. Meghatározó a szigetelő anyag minősége. A késleltetési idő alacsony értéke lenne kívánatos a hálózatokban. Ezt a szigetelés permittivításának csökkentésével tudjuk javítani. Gyakorlatban az lenne jó, ha légszigetelést alkalmaznánk. Technológiailag ez nyilván megvalósíthatatlan, de olyan kábel ahol a középső eret csak egy spirális kitámasztás tartja, realizálható. A számítógép hálózatok koax-kábeles megoldásai 2001 januárjától nem szabványosak az épületkábelezési szabványok szerint, de még nagyon sok helyen fogunk velük találkozni. 40
2.2.1. Csavart érpáras kábelek A csavart érpár két összesodort vezeték, meghatározott csavarás számmal. A sodrás biztosítja, hogy az érpár környezete felé szimmetrikus legyen, így alacsony a sugárzása. Ez egyben azt is jelenti, hogy a környezeti zavarokat is erősen csillapítva veszi fel.
2.12. ábra. Csavart érpár mágneses mezeje. Az (A) esetben egy differenciál módusú zajáram folyik az ereken. Az áramirány ellentétes, így a (H) mezők iránya is ellentéte, és az eredő zavaró tér elvileg nulla. (B) ábra azt mutatja, hogy egy külső (H) - tér a kábel két erében ellentétes feszültséget indukál, amik kioltják egymást. Nagyobb frekvenciákon ez a mezőkioltó hatás kevésbé érvényesül az induktív impedanciának köszönhetően. A GHz–es tartományra szánt kábelek kettős árnyékolással, egy fólia és egy szövött árnyékolással is el vannak látva.
41
2.13. ábra. Cat6 árnyékolt, csavart érpáras kábel (S-FTP). A szokásos fali és lengő kábel 4 ér-párat tartalmaz. Az érpárok lazán össze vannak sodorva a kábelen belül, hogy a szimmetria jobb legyen a külvilág felé. Vannak sok erű kábelek is, ezeket a rendezőszekrények között szokták használni. A 4 érpárból általában 2 érpár van használatban. Nagy előnye a technológiának, hogy azonos módon kezelhető a digitális telefon és a számítógép hálózat. Az ISDN főkészülékhez 4 érpárnak kell menni. 2 érpár tápfeszültséget ad a központból, 2 érpár a kommunikációé. A kábelek fontosabb jellemzői:
frekvencia tartomány
hullám-impedancia (100 ohm) áthallás az érpárok között ( frekvenciafüggő) csillapítás/100méter a frekvencia függvényében jelterjedési sebesség (átlagosan 200m/μsec) futási időkülönbség az érpárok között , 100 m-en (<50nsec) A katalógusokban megadott legfontosabb villamos jellemzők: A felhasználás körülményeit még sok további paraméter írja le, melyek egy részével a „kábelezések mevalósítása” fejezetben foglalkozunk. A kábeleket a használható maximális frekvencia szerint osztályba soroljuk Category 1 – Category 7-ig.
42
Az adatátviteli rendszerekben használt kábelek tipikus alkalmazásai, és névleges frekvenciahatár: CAT1
hangátvitel
100KHZ
CAT2
nem gyakori
4 MHZ
CAT3
Ethernet
10MHz
CAT4
nem gyakori
20MHz
CAT5
Fast Ethernet
100MHZ
CAT6
Fast Ethernet
200MHz
CAT7
Gigabit Ethernet
600MHz
A szabvány a jellemzőket jóval szélesebb frekvenciasávban definiálja, hiszen a kódolási eljárásból adódóan 10Mbit/sec sebességű Ethernet alapfrekvenciája 20MHz, a 100Mbit/sec sebességű ETHERNET alapfrekvenciája 200 MHz. A kábelgyártók a szabványban rögzített frekvenciahatárokat lényegesen túlteljesítik. A CAT5 kábelek jellemzően 350MHz-ig, a CAT6 kábelek 750MHz-ig használhatók. A helyzet „törvényesítésére”, a CAT6 „javított” változataira a szabványosító szervezetek több javaslatot tettek. A jegyzet aktualizálásakor (2006 január) még nem volt döntés a javaslatokról. Eltérés az elvárt NEXT értékekben van. Az alábbi táblázat a frekvencia függvényében mutatja a javasolt értékeket.
MHz 100 200 300 350 500
ISO/IEC New Class E -40 -35 -31 -29 -28
NEXT (dB) TIA Augmented -40 -35 -31 -29 -26
ISO/IEC TR -40 -35 -31 -29 -22
43
100
200
300
350
500Mhz
-20
NEXT (dB)
-25 -30
ISO/IEC New Class E TIA Augmented
-35
ISO/IEC TR
-40 -45
2.14. ábra. Javasolt NEXT értékek a javított CAT6 kábelek számára. A CAT6 javításának két fő mozgató rugója van. Az egyik az, hogy a készülékeken alkalmazott csatlakozók CAT6-nak felelnek meg. A CAT7-es szabvány csatlakozói ettől eltérnek, így CAT7–es hálózatban hibrid készülékkábelek szükségesek. A másik egy jelentős beruházás védelmi szempont. Jelenleg több millióra becsülhető azoknak a végpontoknak a száma, melyek teljesítik a javasolt specifikációt. Ezek a hálózatok alkalmasak a (még nem szabványosított IEEE 802.3ae) 10Gbit/sec sebességű adatátvitelre rezes hálózaton. Az aktív elemek gyártói számára ez nagy üzlet, a felhasználók számára pedig a kábelhálózatuk megtartása jelent előnyt. A frekvenciamenet teljesítése nem okoz túl nagy nehézségeket a gyártóknak. A gyakorlati felhasználás szempontjából azonban legalább olyan fontos, hogy a kábelek érpárai mennyit szórnak a szomszédos érpárokra, illetve a külső zavaró terek mennyire hatnak a kábelekre. Ha mind a négy érpárt használjuk, akkor egy érpárra a másik három érpár zavarásának összege jut. Zavarást jelent az együttesen futó kábelek egymásra hatása is. Paradox módon műszakilag kedvezőbb a „kábelsaláta”, mint a szépen rendezett kábelköteg. A rendezetlen köteg a 600MHz-es tartományban 5-10 dB-el kevesebb kölcsönös zavarást okoz, mint a rendezett. A magasabb frekvenciatartományban üzemelő rendszereknél (500-600 MHz) a nagy csillapítás miatt a jelszint vevőoldalon kicsi, ezért a környezetből érkező zajok csillapítása is fontos, hogy megfelelő jel/zaj viszony legyen elérhető. A külső zavarok csökkentésére nem elegendő a csavarás és a hagyományos árnyékolás. A legújabb megoldások közül néhány: 44
Az érpárok egymásra hatása csökkenthető, ha az érpárok távolságát növeljük. A kábel erek között távtartó van, mint az alábbi ábrán látható. A bemutatott kábel CAT-6e kategóriájú, UTP, 750MHz-ig használható.
2.15. ábra. Gigabites átvitelre tervezett sodrott érpáras kábel. A közös módusú zajok csökkentésének eszköze, ha a kábel árnyékolásán kívül, egymástól szigetelve, mintegy 2 cm hosszúságú fólia árnyékoló gyűrűket helyezünk el. A szokásos megoldású árnyékolás antennaként működik, és az árnyékoláson folyó áram feszültséget indukál a belső erekben. Ezt a hatást csökkentjük az árnyékolások rövid szakaszokból álló felépítésével. A rövid szakaszok kevésbé működnek antennaként, de a belsejükben a tér homogén, így a közös módusú zajelnyomás javul, és a földelési problémákkal sem kell foglalkoznunk. Az összeköttetés (számítógéptől – számítógépig) frekvencia-átviteli tulajdonságait „A-tól – F-ig” sorolja be a szabvány. (A kábelezés pl. megfelelne 100 Mbit/sec átvitelhez is, de a végpontokon Cat 3 – as csatlakozók vannak, akkor az összeköttetés nem „D”, hanem „C” minősítést kap, mert a végpontok között az
45
alacsonyabb frekvenciahatású csatlakozók fogják meghatározni az átviteli tulajdonságokat. Az összeköttetési osztályok frekvenciahatárai ISO 11801 szerint: A
100KHz
B
1MHz
C
16MHz
D
100MHz
E
200MHz
F
600MHz
Az épületkábelezés előírásait a TIA/EIA 568 szabvány tartalmazza. A szabvány részletesen szabályozza az épületen belüli kábelezési megoldásokat, továbbá az épületek közötti kábelezés fogadásához szükséges szekrények helyét, javasolt méretét. Jelenleg csak a csavart érpár és a fényvezető szál javasolt új épületekben. A tipikusan koax –kábelt használó alkalmazások is elláthatók csavart érpáros kábelezéssel. A videó rendszerek általában koax kimenettel vannak ellátva. A koax és a csavart érpáras szakasz közé elhelyezett szimmetrizáló (balun) transzformátor biztosítja az illesztést, és ezzel megoldott a jeltovábbítást a csavart - érpáras hálózaton.
46
2.14. ábra. RGB jel továbbítása csavart érpáron. 2.2.3. Fényvezető-szálas kábelek A fényvezetős technológia határai a megvalósított rendszerekhez képest igen távoliak, jelentős tartalékok vannak az optikai átvitelben.Elméletileg 50 000 Gbit/sec sebességű hálózatok is építhetők. Laboratóriumi méretben 100 Gbit/sec sebességű rendszerek már léteznek. A gyakorlatban 1 – 2 Gbit/sec sebességet érnek el az optikai hálózataink. A korlát az elektromos/optikai jelátalakító sebessége. A fényvezető szál működésének alapja a fény visszaverődése a határfelületről, ha a beesési szög nagyobb a határszögnél.
2.15. ábra. Teljes visszaverődés
47
A határfelület két eltérő törésmutatójú anyag határa. Ez lehet üveg – üveg, műanyag – műanyag, műanyag – üveg. Technológiailag az azonos anyag, eltérő törésmutatóval kombinációk használatosak a hőtágulási problémák miatt. Ma egyeduralkodó megoldás az üveg mag, üveg köpennyel. Kísérletek folynak műanyag szálakkal is, de egyenlőre csak néhány helyen kerültek alkalmazásra, kis távolságokon.
műanyag védőburkolat (0,9 mm) primer burkolat (műanyag, 0.250 mm ) köpeny (cladding, 0,125 mm), üveg
mag (core), üveg
2.16. ábra. Az optikai kábel egy erének metszete: Javítani lehet a mechanikai sajátosságokat, ha a külső műanyag burkolat is kétrétegű, belül egy puhább szilikon, kívül kemény nylon van. A szokásos kábelek 2 – 24 eret tartalmaznak. A fény egy része elnyelődik a kábelben. A csillapítást döntően az anyag tisztasága és a hullámhossz befolyásolja.
5 4 3 2 1 800
1000
1200
1400
1600
Hullámhossz (nm)
2.17. ábra. Egy „átlagos” optikai kábel csillapítása. 48
A fényvezető-szálak típusai: „Multimode” az a szál, ahol a fény többféle úton is célba érhet. Különböző szögben éri el a visszaverő felületet. Multimode step Index szál Kimenő amplitúdó
Bemenő amplitúdó
forrás
fény útjai az optikai szálban
idő
idő
2 .18. ábra. Multimode , éles optikai határfelületekkel rendelkező szál. A bemenő impulzus a kimeneten „szétkenődik” a különböző futási idők miatt. Ez a „szétkenődés” a hosszal arányos, így a kábel frekvencia átvitele ( GHz*km) egységben adható meg. A szokásos magátmérő 50m és 62,5 m. Ezzel az átmérővel a sávszélesség 1 GHz*km nagyságrendű. Olcsósága, és főként egyszerű szerelhetőségük miatt terjednek a műanyag fényvezető kábelek is. Főként potenciál elválasztás, vagy a villamos zavarok csökkentése miatt alkalmazzák a műanyag kábeleket. A sávszélesség jellemzően 1MHz*100m. A fénysugár akkor is benntartható a szálban, ha nem egy éles határfelület, hanem a közepétől fokozatosan csökkenő törésmutatójú szálat hozunk létre. A legkedvezőbb, ha a szál törésmutatója parabola jellegűen változik. Ekkor a fény közel szinuszos pályát fut be. A futási időkülönbség kisebb, mint az előző esetben. Tovább javítja a helyzetet, hogy monokromatikus fény esetén fellép egy kioltási jelenség is, csomópontok jönnek létre. A szokásos sávszélesség 1,5-2GHz*km.
49
Multimode graded Index szál Bemenő amplitúdó
Kimenő amplitúdó optikai szál
idő
idő
2. 19. ábra. Fény útja parabolikusan változó törésmutatójú szálban. A futási időkülönbség nyilvánvalóan csökken, ha a szál átmérőjét csökkentjük. Ha a szál átmérője a hullámhossz nagyságrendjében van (8-9 m ) , akkor gyakorlatilag egyenes vonalú terjedés lép fel, egyféle módon terjed a fény. Ezek a „monomódusú” szálak. Monomode step Index szál Bemenő amplitúdó
Kimenő amplitúdó fényvezető szál
forrás idő
idő
2. 20. ábra. Fény útja monomódusú optikai szálban. A monomódusú szálak sávszélessége 30-120 GHz*km. Elméletileg ennél nagyobb sávszélesség is megvalósítható, és jelentős kutatás folyik ezen a területen. Egy adott hullámhosszúságú fénnyel egy éren egyirányú összeköttetés hozható létre. Egy duplex összeköttetés így 2 eret vesz igénybe. Mód van arra, hogy egy időben különböző hullámhosszúságú (színű) fényt használva több összeköttetést létesítsünk egy kábelen, hullámhossz multiplexelést megvalósítva. A be és a kicsatolás bonyolultsága miatt azonban csak kivételesen alkalmazott eljárás a multiplexelés. Az egy éren megvalósított kétirányú kapcsolat az ipari rendszerekben alkalmazott újszerű megoldás. Ha forgó alkatrészek között kell megbízható kapcsolatot létrehozni, akkor tengely középvonalában lévő optikai csatolók alkalmasak a feladat megoldására. Tipikus alkalmazás pl. a szélturbinák tengelyében megvalósított adatátvitel. A hálózati eszközök jelölésénél száloptikás technológiák a „Fibre” után „F” jelet kapnak. ( pl. 100BaseF = 100Mbit/sec sebességű optikai szálas eszköz). 50
2.2.4. Vezeték nélküli átvitel A vezeték nélküli átvitel a hálózati megoldások rendkívül dinamikusan fejlődő ága. A nagytávolságú vezeték nélküli átvitel elsősorban azokon a helyeken fontos, ahol nincs kiépített infrastruktúra, vagy számítunk az infrastruktúra megsemmisülésére (katonai alkalmazás). Kisebb távolságokon a sűrű beépítés lehet gond. Egészen kis távolságokon a kényelem és a mobilitás lehet a fő mozgató erő. ( A szobában bárhol lehet a számítógép, a nyomtató nem kell dugdosni, cipelni.) Lézer, infravörös átvitel Külső helyszíneken rendkívül gyorsan telepíthető, nehezen lehallgatható összeköttetés hozható létre 100-1000 méter távolságra. Ködben esőben erősen lecsökkenhet a hatótávolság. Az infravörös eszközök többsége napfényben nem használható. Az állomások telepítésénél gondosan kell eljárnunk, mert az adó kis mozgása, vagy a fény eltérítése (pl. a felmelegedő falról felszálló meleg levegő eltérítheti) az összeköttetés megszakadásához vezet. Rádiós összeköttetés Nagy távolságok hidalhatók át közbenső állomások nélkül. (Gondoljunk a klasszikus távíró rendszerekre). Az átviteli sebesség relatíve kicsi. Az összeköttetést légköri zavarok, ionoszféra zavarok befolyásolják. Fő előnye az állomások mozgékonysága. Kis távolságok esetén a GHz tartományban működő rendszerekkel 10Mbit/sec sebesség könnyen elérhető. Nem kell kábelezni, gyorsan telepíthető. Egy épületen belül pl.: a konferenciateremben is elérem a szervert, a saját gépemet egy előadás közben. Az utóbbi időben rohamosan terjednek a néhány méter hatósugarú rendszerek. A cél a kábelek elhagyása, kényelmes használat szobán belül. ( Telefon-számítógép – nyomtató, számítógép – egér, stb.) A mikrohullámú tartományban (2-40 GHz) irányított antennákkal megbízható, nagysebességű összeköttetések hozhatók létre. Az állomásoknak optikailag látni kell egymást. A telepítéskor tornyok, vagy magasan fekvő pontok szükségesek. Főként a magasabb frekvenciatartományokban az eső és hóesés jelentősen ronthatja az átvitelt, ezért helyettesítő útvonalakat terveznek be. A szokásos távolság az állomások között 30 – 100 km. 51
Nagyobb távolságok esetén közbülső, reléállomások beiktatása szükséges. Rendkívül gazdaságos, versenyképes megoldás. Egyedüli hátrány, hogy most már hiány van kiosztható frekvenciasávokban. Műholdas rendszerek . A műhold egy jelismétlő, ami a felküldött jeleket más frekvencián visszasugározza. Egy műholdon átlagosan 12 – 20 u.n. transponder van, egyenként 50Mbit/sec átviteli sebességgel. A bonyolult követő antennarendszerek elhagyása érdekében a műholdakat geostacionárius pályára állítják, így a műhold állni látszik a földről nézve. Ha a nyalábolási szögeket figyelembe vesszük, akkor 180 db műhold helyezhető el. A magasabb frekvenciatartományokban 20/31 GHz (17,7 – 21,7 GHz le irány / 27,5 – 30,5 GHz fel irány) elvileg 10 – ra is lehetnének a műholdak, megduplázható lenne a számuk. Ebben a sávban azonban jelentős az eső, felhőzet által okozott csillapítás. A műhold nagyobb területet is besugározhat (TV adás), vagy pont-nyalábot (spot beam) is sugározhat. A spot beam csökkenti a lehallgathatóságot. Az egyedi terminálok számára kifejlesztett műholdas rendszer a VSAT (Very Small Aperture Terminál) ( Nagyon kis nyílásszögű antennájú berendezés) A készülékek kicsi, 1 m átmérőjű antennával vannak felszerelve, kicsi adóteljesítménnyel (1 W). Megjelenésük annak köszönhető, hogy a műhold tud nagy teljesítménnyel adni, ami elegendő egy kis antennával szerelt vevő számára. A földi állomás kis teljesítménye (jel/zaj viszony!) miatt a felfelé irányuló csatorna sebessége alacsonyabb, 19,2 kbit/sec, a lefelé irányuló 512 kbit/sec. A VSAT rendszer vezérlését egy földi állomás, u,n. HUB végzi. A VSAT terminál jelei földi állomás – műhold – HUB – műhold – földi állomás utat járják be. Így a késleltetési idő a szokásos (geostacioner pályán) 270 msec helyett 540 msec. (Egy nyugta több mint 1 másodperc múlva ér vissza !). A VSAT előnye az olcsóság. Egy állomás telepítése néhány százezer forintból megoldható. Folyamatos összeköttetés elvileg fenntartható alacsony röppályás műholdakkal is, ha mindig van a látómezőben műhold. 77 műholddal lefedhető a teljes földfelszín. A projekt innen kapta az „Iridium” nevet. Az iridium a 77. elem a periódusos rendszerben. A műholdak száma végül 66-ra módosult, de a név maradt. 52
Egy-egy műhold 48 pontnyalábot sugároz, és így 1628 cella alakítható ki. A frekvenciák jól kihasználhatók, mert két cellával odébb ugyanaz a frekvencia már használható. A földi állomás közvetlenül kommunikál a műholddal, így a föld bármely pontjáról lehet összeköttetést teremteni. Az alacsony röppálya (kis távolság) lehetővé teszi, hogy kis teljesítménnyel, kézi készülékekkel forgalmazzunk. Mobil- telefon rendszerek A mobil telefon rendszerek fejlődését „generációkba” szokták sorolni. 1G
Analóg hang (AMPS)
2G
Digitális hang ( GSM, CDMA, D-AMPS )
2,5 G A GSM technológia továbbfejlesztett digitális megoldásai (GPRS) 3G
Nagysebességű digitális átvitelt megvalósító eljárások,
3.5 G Nagysebességű digitális átvitel (HSDPA 1.8-14.4Mbit/sec) 4G
Átfogó digitális rádiós infrastruktúra. ( Mobil környezetben max.100Mbit/sec, fix telepítésnél 1Gbit/sec ).
A 4. generációs rendszerek fejlesztése folyamatban van. Több működő megoldás is van, melyek közül a „győztes” még nem jósolható meg. Az első mobiltelefon rendszerek telepítése 1946-ban kezdődött St. Luisban. Az analóg rendszerű mobiltelefon kapacitása kicsi volt és bárki lehallgathatta. Az újabb rendszer, az Advenced Mobile Phon System l982-től van üzemben. Ez a felhasználói területet 10 – 20 km átmérőjű „cellákra” osztja. A „cellák” azért előnyösek, mert a szomszédos cellákat kivéve ugyanaz a frekvencia más cellákban használható. Adott frekvenciasáv esetén a cellák méretének csökkentésével az összeköttetések száma lényegesen megnövelhető. A kisebb cellaméret lehetővé teszi az adási teljesítmény csökkentését. (Tipikusan max. 0,6 W a kézi telefonnál) Egy cella a szomszédaival együtt ( összesen 7 cella) alkot egy csoportot. A csoport a frekvencia-kiosztás szempontjából jelentős, mert ez definiálja a „szomszédot”.
53
"A" szomszédai: B,C,D,E,F "D" szomszédai: A,C,F,B,G,E
2.21. ábra. Szomszédos cellák
54
A rendszer 832 duplex csatornát használ. 824 – 849 MHz frekvenciatartományban az adócsatornák, 869 – 894 MHz között a vevőcsatornák vannak. (A központ oldaláról nézve)
2.22. ábra. AMPS frekvenciasávjai Az állomások kb. 15 percenként regisztrálják magukat a központban, hogy „tudja” a rendszer a mozgó állomások helyét. Az AMPS analóg rendszer, és elég nehéz a csatornák összefogása nagyobb sávszélesség érdekében. Az európai gyártók fogalmaztak meg egységes elveket a digitális mobiltelefon – rendszerre, ez a GSM (Global System for Mobile communications). (Európában korábban ötféle analóg rendszer volt forgalomban). A 900 MHz-es sáv 124 csatornára van osztva, és ezen belül idő multiplexelést használ. Egy csatorna 200 kHz széles, és a csatornát 8 időrés osztja tovább a felhasználók számára. Elvileg 8X124=992 csatornát támogat a rendszer. Az interferenciák miatt egy cellában legfeljebb 200 duplex csatorna használható, így a valós teljesítmény elmarad az elméleti értéktől. A többi sávon is 200kHz a csatorna sávszélessége, és az időosztás is azonos. A sáv idő-multiplex felosztása nyilvánvaló előnyökkel jár a tisztán frekvenciamultiplex megoldásokhoz képest. Egy állomáshoz több időrés hozzárendelése nagyságrendekkel egyszerűbb (tisztán digitális feladat), mint több analóg csatorna összefogása, így egyszerűbben hozhatók létre nagy sávszélességű összeköttetések.
55
GSM rendszer frekvenciasávjai (2006) : Tartomány
Mobil állomás adás / Bázis állomás adás
GSM 400
450.4 – 457.6 MHz / 460.4 – 467.6 MHz vagy 478.8 – 486 MHz / 488.8 – 496 MHz
GSM 850
824 – 849 MHz / 869 – 894 MHz
GSM 900
880 – 915 MHz / 925 – 960 MHz
GSM 1800
1710 – 1785 MHz / 1805 – 1880 MHz
GSM 1900
1850 – 1910 MHz / 1930 – 1990 MHz
Harmadik
Bázis állomás adás (BTx) 2110 – 2170 MHz
Generáció
Mobil állomás adás (MTx) 1920 – 1980 MHz
3G
Time Division Duplex 1900 – 1920 MHz
A GSM rendszerben lehetséges a vonalkapcsolt és a csomagkapcsolt hálózat megvalósítására is. Hang-hívásnál van hívásfelépítés, és csatorna a tartalomtól függetlenül rendelkezésre áll. A csatorna az összeköttetés ideje alatt foglalt. A működés így vonalkapcsolt jellegű. A cellahatárokon az átadás idejére ( 300 msec) a szolgáltatás megszakad, majd a másik cella átveszi az összeköttetést, és a kapcsolatot visszaállítja. A jelenleg használatos GSM technológiák HSCSD (High Speed Circnit Swithed Data) A HSCDS az időszeletek összekapcsolása egy felhasználó számára (cocatenating). Az összeköttetés vonalkapcsolt jellegű. A sávszélesség az összekapcsolt időszeletek számától függ. Általában 2 + 2, ami 28 kbit/sec + 28 kbit/sec fel és letöltési sebességet eredményez. A sebesség a vonalkapcsolt jelleg miatt állandó. A vonalkapcsolt jelleg az üzemeltetési költségeket is növeli a GPRShez képest. Nem minden szolgáltató és készülékgyártó támogatja a HSCDS-t. 56
GPRS ( General Pachet Radio Service) Szabványosított része a „GSM Phase 2+”-nek.. Az első csomagkapcsolt implementáció a GSM rendszerben. A sávszélességet több időszelet összekapcsolásával növeli. Egy logikai csatornában 9,6 kbit/sec - 14,4 kbit/sec az adatátviteli sebesség. A sebesség a hibák számától függ. A lehetséges 2*8 időszelet 115 kbit/sec sebességet biztosítana mindkét irányban, de ezt nem használják ki. A kereskedelmi rendszerekben egy felhasználó 2-5 aktív szeletet kaphat. A szokásos megoldásban 1 fel és 3 letöltés irányú időszeletet kap a felhasználó. (Átlagos sebesség: letöltés 8 – 12 kbit/sec, letöltés 24 – 36 kbit/sec .) Ha van hangátviteli igény, és nincs szabad csatorna, akkor az adatátviteli csatornák időszeletéből vesz el a vezérlés. A sebesség adatátvitel közben is változhat. A készülékekben az időszeletek lehetséges kiosztását a hardver is behatárolja, amit a készülékek „Multislot Class” besorolásából tudhatunk meg. Jelenleg 12 osztály van definiálva. (Pl.: NOKIA 6310 Class-6 osztályú. 2 fel / 3 le vagy 3 fel / 2 le irányú csatornával használható, ha a szolgáltató is támogatja a csatornák programozható kiosztását.) EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution ) Új modulációs eljárás alkalmazásával 384 kbit/sec-re emeli egy GSM csatorna elméleti átviteli sebességét. Nevezik Enhanced GPRS-nek is (E-GPRS). A modulációs eljárás érzékenyebb a zajokra, mint a korábbi eljárások. HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) A HSDPA protokoll, az UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) bazisú 3. generációs rendszerek továbbfejlesztése. Az egyik perspektivikusnak tűnő technológia a fejlesztések közül. A jelenleg (2008 január) alkalmazott letöltési sebességek 1.8 -3.6-7.2 Mbit/sec. Az elméleti határ 14.4Mbit/sec. A rendszer jól kihasználja a rádiócsatorna lehetőségeit. A technológia 3 alappillére: Adaptív moduláció és kódolás Minden állomás a jel minőségétől függő, egyedien szabályozott kódolási sémát használ. Fast Packet Scheduling (nagysebességű időosztás) A felhasználói egységek másodpercenként 500-szor adnak, amiből
57
a bázis állomás megállapítja a jelminőséget. A bázis állomás ennek ismeretében változtatja a csatornakiosztást és a kódolást. Hibás keretek gyors újraadása a bázisállomás oldalról A vevőoldal a hibásan vett kereteket is tárolja. A hibásnak jelzett keretet az adó más kódolási sémával küldi, mint az eredi adatot. Ha az újraadott keret vétele hibátlan, akkor az eljárás befejeződött, ha nem, akkor a két hibás keret összevetéséből megpróbál egy hibátlant előállítani ( „incremental redundancy” koncepció). A GSM nagyon összetett rendszer. Az alaprendszer definíciós leírása több mint 5000 oldal. Az egyes fejlesztések szintén több ezer oldal dokumentációt jelentenek. 2.3 Adatátviteli módszerek 2.3.1. Analóg és digitális átvitel. A korábbi rendszerekre az analóg technológia volt jellemző. Az analóg jelátvitelnél a csatornában a jel gyengül, és zajok adódnak hozzá. A zajtól a jelet nem tudjuk „megszabadítani”. Az erősítők a jelszintet helyreállítják, de a zajtartalom marad.(Periodikus zaj esetén, vagy valamilyen ismert tulajdonsága miatt tudjuk a zajt csökkenteni. Ha a jel periodikusan ismétlődik, szintén javítható a jel/zaj viszony.) A digitális átvitel fő jellemzője, hogy a jeleknek csak diszkrét értékei létezhetnek. A jeleket, ha felismerhetők, nem erősítjük, hanem regeneráljuk. Helyreállítjuk a jelszintet és időzítést is. Soha nem szabad megfeledkeznünk azonban arról, hogy az átviteli csatornában a jel mindig analóg. A jelet a csatorna valamilyen fizikai jellemzőjének mértéke hordozza . Frekvencia, fázis, amplitúdó, vagy több jellemzője együttesen. A digitális jeleket MODEM-ek alakítják a csatornákban használt fizikai jellemzőkké. A MODEM a modulátor – demodulátor kifejezés összevonásából keletkezett. Szűkebb értelemben a MODEM - ek alatt a telefonhálózaton használható jelátalakítókat értik. A MODEM működését funkcionális protokollok írják le:
modulációs protokollok
hibajavító protokollok
adattömörítő protokollok 58
2.3.2 Modulációs protokollok A modulációs protokollok írják le, hogy a fizikai közeg mely jellemzőjét, és hogyan változtatjuk a digitális jelsorozat átvitele érdekében. Amplitúdó moduláció . Klasszikus példája a távíró, ahol van-jel=1, nincs-jel=0 konvenció hordozza az információt. Nagyon kis teljesítménnyel nagytávolságú rádióösszeköttetések hozhatók létre, mert lassú átvitelnél nagyon keskeny sávszélességgel realizálható. (A kis sávszélesség kicsi zajteljesítményt jelent a csatornában.) Az optika kábeleken a fény intenzitása hordozza az információt, szintén van/nincs jelleggel , rendkívül nagy sebességgel. A rézvezetékes összeköttetéseken feszültség értékeket rendelhetünk bitkombinációkhoz. A frekvenciamoduláció a vivő frekvenciáját változtatja meg. Az egyes állapotokhoz diszkrét frekvenciák tartoznak. A távbeszélő sávban szokásos frekvenciák a 2.13. ábrán láthatók. telefonvonal sávszélessége A-B irány
1070 Hz (0)
1270 Hz (1)
B-A irány
2025 Hz (0)
2225 Hz (1)
300Hz
3000 Hz
2.23. ábra. Teljes duplex átvitel telefonvonalon A rádiókommunikációs rendszerekben használatos megoldás, hogy egy amplitúdó modulált jel vivőfrekvenciáját változtatják néhány száz Hz-en belül. Ez lehetővé teszi, hogy az AM adás mellett, annak zavarása nélkül vigyünk át digitális információt ugyanazon a csatornán. ( 20 MHz környéki vivőn 100 Hz eltolást a normál vevőkészülék nem érzékeli, a speciálisan erre kialakított vevő dekódolja az adást. ) A telefonhálózaton működő MODEM - ek gyakran alkalmaznak fázis modulációt (2.25 d. ábra) Egy állandó frekvenciájú szinuszos jelhez képest váltogatjuk a jel fázishelyzetét. Egy fázishelyzet több bit információt is hordozhat, attól függően, hogy hány fázishelyzetet
59
különböztetünk meg. A fázison kívül az amplitúdót is modulálhatjuk. Így egy állapot 4 bitet kódol. (2.24. ábra.) Ezt a kódolási elvet használva tovább növelhető a megkülönböztethető állapotok száma. Ha a vektorok végpontjait egy rácson helyezzük el (trellis), elérhető 64 vagy 128 állapot is. (A zajkorlát itt is érvényes!!) A 64 állapot 6 bitet kódol. 128 állapotú rendszerben 6 hasznos bitet szoktak kódolni, és a 7. bit paritásbit.
2.24. ábra. 8 állapotú rendszer (a), 16 állapotú rendszer (b).
60
( a ) digitális jel ( b ) amplitúdó moduláció
( c ) frekvencia moduláció
( d ) fázis moduláció 2.25. ábra. Alapvető modulációs protokollok. Az alapvető kódolási eljárások bonyolult kombinációi is előfordulnak a gyakorlatban használt rendszerekben. A felhasználás céljától függ, hogy melyik jellemzőt tartjuk fonrosnak. Vannak rendszerek ahol a jó zajtűrőképesség, van ahol az elérhető legnagyobb adatátviteli sebesség a cél.
61
2.3.3. Hibajavító és adattömörítő protokollok A hibajavító és adattömörítő protokollok logikailag az adatkapcsolati réteghez tartoznak. A MODEM - en belül megvalósított eljárásokat mégis célszerű itt tárgyalni, mert a MODEM a felhasználói rendszer számára átlátszó, a fizikai rétegen belülinek látszik. A vezetékes rendszereken használt eljárásokat a MICROCOM cég dolgozta ki, a DoD megrendelésére. A jelölésük: MNP1 – MNP10 (Microcom Networking Protocol). A fontosabb protokollok: Az MNP-4 eljárás csomag jelleget ad az átvitelnek. Vannak ellenőrző bitek, és nyugtázó csomagok is. Némi tömörítést is tartalmaz az átvitel. A 2400 bit/sec-os MODEM 2900 bit/sec-ot érhet el MNP-4 alatt. A legnépszerűbb eljárás az MNP-5. Ez futás-hossz alapú tömörítést tartalmaz. Az egymás mögött álló azonos karakterek számát viszi át. „Röptében” (valós idejű) tömörítés, és nem ismeri fel a már tömörített állományokat. Az MNP-5 szabványú eszközök kötelezően ismerik az MNP-4 protokollt is. Az átviteli sebességet átlagosan megkétszerezi az eljárás. Az MNP eljárások gyakorlatilag változtatás nélkül kerültek a szabványba. CCITT MODEM szabványok: A szabványok az adatátviteli sebesség folytonos növekedését mutatják. A készülékek egyre jobban megközelítik az elméletileg elérhető értékeket. V. 21.
300 bit/sec, duplex, frekvenciamodulált. (Gyakorlatilag minden telefonrendszeren át használható, általában akusztikus csatolóval).
V. 22.
1200 bit/sec, duplex, frekvenciamodulált.
V. 22. bis
2400 bit/sec, duplex
V. 23.
600/1200 bit/sec, félduplex Rendelkezik egy 75 bit/sec sebességű „szolgálati” csatornával. (Ipari vezérlésekben használatos).
V. 24.
A MODEM és terminál közötti interfész fizikai szintjét (villamos jelek, csatlakozó kiosztás) definiálja. Az amerikai megfelelője az EIA – RS232C.
V, 32.
9600 bit/sec sebességű, duplex, szinkron. 62
Kombinált amplitúdó és fázis-modulációt használ. Bitcsoport kódolás: 16 szintű, nem redundáns, vagy 32 szintű, redundáns (trellis). V. 42.
Redundáns kódolást használó eljárás, ami a hibák egy részét javítja. Saját tömörítő eljárást (Ziv és Lempel 1977) használ. Szükség esetén ismétlést kér. Ha az ellenállomás nem ismeri a tömörítő eljárást, akkor MNP-4 szerint működik.
V. 42 bis
Maximum 4-szeres tömörítést lehetővé tevő szabvány. Csak azonos modemek között (V42bis szabványú) működik. Az előzetes tömörítést nem ismeri fel, attól függetlenül működik.
A digitális telefonhálózaton használt csatolókártyák (ISDN) és az analóg modemek nem tudnak közvetlenül együttműködni a legtöbb hálózaton. ISDN kártyával csak olyan helyre tudunk csatlakozni, ahol az ellenállomás is ISDN kártyát használ. Belátható, hogy a konverzió a központban megvalósítható lenne. (Van olyan szolgáltató, ahol ez meg is valósul), de nem általános a sebességillesztési nehézségek miatt. A fejlődés irányai A kábeles és a rádiós rendszerek versengenek a felhasználókért. A felhasználók növekvő adatátviteli sebesség igényét a beruházásvédelemmel próbálják összehangolni a szolgáltatók. A szolgáltatók igyekeznek megőrízni a kiépített kábelrendszerek értékét. Gyakorlatban ez azt jelenti, hogy a legnehezebben telepíthető szakaszon, a felhasználói végpont környezetében megtartjuk a rézkábeleket, és optikán elvisszük a jelet a felhasználó közelébe (Fiber To The Curb). A fényvezető kábelek elvihetők a felhasználóig is. Ez a Fiber To The Home rendszer. A tisztán optikai kábeles megoldás nyilvánvaló műszaki előnyei ellenére gazdasági okokból többségében a kombinált megoldást választják. Vannak természetesen olyan területek, ahol egy nagyobb kerület, városrész gazdagasági ereje lehetővé teszi a tisztán optikai kábeles megoldások bevezetését.
63
2.3.4. Kódolás alapsávú rendszerekben Lokális hálózatokon belül az adatátvitel jórészt szélessávú kábeleken, vivőjel nélkül történik. A digitális információt úgy is ábrázolhatjuk a vonalon, hogy logikai "1"-nek pozitív feszültségszint, a 0”-nak 0 volt felel meg. Könnyen beláthatóm hogy ez nem szerencsés, mert a vonalon egyenáramú komponens jelenik meg, ami a transzformátoros vagy kapacitív csatolásoknál nehézséget okoz. A kódolástól elvárjuk, hogy a műszaki megvalósítást is támogassa . A pillanatnyi technológiai színvonal egyes megoldások használatát évtizedekkel eltolhatja. A viszonylag bonyolult matematikai feldolgozást igénylő eljárások elmélete jórészt ismert volt az 1970-es évek elején, és csak most kerültek általános felhasználásra.1970-ben elképzelhetetlen volt egy olyan otthoni költségtartományba eső berendezés, ami több nagysebességű digitális jelfeldolgozó egységet tartalmaz. Ma egy DSP (Digital Signal Processor) ára a néhány $-os kategóriába esik, és a berendezések gazdaságosan realizálhatók. Néhány fontosabb kódolási szempont :
ne tartalmazzon egyenáramú összetevőt a vonali jel,
a szinkronizálás ne igényeljen külön csatornát,
kétvezetékes rendszerben a vezetékek felcserélése legyen automatikusan felismerhető, és javítható,
a teljesítményspektrum maximuma minél kisebb frekvenciára essen. (Alacsonyabb meghajtó teljesítmény, igénytelenebb vonalak).
A sokféle megvalósítás közül kettőt mutatunk be. Az ETHERNET hálózatokban a PE (Phase Encoding) vagy más néven, Manchester kódolást használják. 0-1 átmenet logikai 0-nak, az 1-0 átmenet logikai 1-nak felel meg. Az ábrán szereplő 0.85V az Ethernet hálózatokban szokásos érték.
64
Bitsorozat
1
0
0
0
1
0
1 1
Bináris kódolás
0
+0.85V PE kódolású jel -0.85V
2.26 ábra. PE kódolás A PE kód legnagyobb hibája, hogy a bitfolyam sebességének kétszeresénél van az alapfrekvenciája, így nagy sávszélességet igényel. Az áramkör fordított bekötése a 0-ák és 1-ek felcserélését okozza, ami könnyen felismerhető a szinkron sorozatból, és automatikusan javítható. A PE kód értelmezéséhez tudnunk kell, hogy a bit elején, vagy a közepén van az átmenet amit észlelünk. A felismerés egyszerű, mert egy teljes bitidőnek megfelelő pozitív vagy negatív szintet követő átmenet csak bitkezdet lehet. Az ISDN hálózatokban használt kódolás a British Telecom által kidolgozott a 2B1Q módszer. Egy feszültségszint 2 bitet kódol Érték
Quat
1
0
+ 3 Volt
1
1
+ 1 Volt
0
1
- 1 Volt
0
0
- 3 Volt
A kódolás nem garantálja az egyenáramú komponens hiányát, ezt keretformátumban kell majd beállítanunk. A legfőbb előnye, hogy a teljesítményspektrumban az energia 90%-a az 5-25kHz tartományba esik a beszédátvitelre használt csatornákon, miközben a vonali sebesség 192 kbit/sec ( beszéd digitalizálásánál az egymást követő bitminták általában nem térnek el jelentősen, az alacsonyabb frekvenciájú komponensek vannak túlsúlyban.
65
2.3.5. Aszinkron soros átvitel A számítógép terminál és modem közötti kapcsolat megvalósítása a gyakorisága miatt megkülönböztetett figyelmet érdemel. Ez egy duplex, pont-pont összekötetés. A szabványt az Elektronic Industries Association (gyártókat tömörítő szakmai szervezet) dolgozta ki, jele EIA RS-232C ( a „C” betű a harmadik kiadásra utal). Ezt vette át a CCITT V.24 ajánlása. A két változat néhány ritkán használt áramkörben eltér, de a gyakorlatban kompatibilisek. (Eltérő pl. modem teszt, csengető jelek választása, adatok másodlagos csatornán való visszaküldése). Fogalmak: Adat - végberendezés – Data Terminal Equipment (DTE) (számítógép, terminál) adatáramkör - végberendezés – Data Circuit – Terminoting Equipment (DCE). (Modem) A DTE és a DCE közötti kommunikáció zajlik V.24 szerint. Szűkített specifikáció valósítható meg 9 pólusú csatlakozón. A csatlakozó 25 pólusú, „D” típusú . A DTE egységen dugó, a DCE-n hüvely van. A logikai
„1”
(-3V) – (-25V)
„0”
(+3V) – (+25V)
A (-3) – (+3) közötti tartomány tiltott zóna, és alkalmas arra, hogy a berendezés felismerje, hogy a másik oldal nem létezik vagy ki van kapcsolva. A v.24 szerinti kommunikációt nagyon sok mérőberendezés is használja, és a lehetséges funkcióknak csak kis része van megvalósítva. A szokásos funkciók, és zárójelben a hozzá tartozó csatlakozópont (láb) száma.
Adatterminál kész (Data Terminal Ready = 1) (20) Be van kapcsolva a terminál.
Modem kész (Data Set Reody = 1) (6)
A modem vivőjelet érzékel a vonalon. (Carrier Detect = 1) (8)
Adáskérés (Request to Send) (4) A modem jelzi, hogy tudja fogadni az adatokat a terminálról.
Adás (Transmit) (2)
Vétel (Receive) (3)
66
A modem kábelben minden csatlakozópont az ellenoldal azonos számú pontjához kapcsolódik. (Adás-vétel nincs keresztbe kötve). Az eljárásinterfész pontosan leírja az események érvényes sorrendjét. Két számítógép közvetlenül összeköthető kábellel, a MODEM vezérlőjelek és adatvonalak használatával ( null-modem). :
irány ki be ki be be be ki be
láb védőföld 1 TxD 2 RxD 3 RTS 4 CTS 5 DSR 6 dig.nulla 7 DCD 8 DTR 20 Ring Ind. 22
25p. 1 2 3 4 5 6 7 8 20 22
9p.
irány ki be ki be be be ki be
láb védőföld 1 TxD 2 RxD 3 RTS 4 CTS 5 DSR 6 dig.nulla 7 DCD 8 DTR 20 Ring Ind. 22
25p. 1 2 3 4 5 6 7 8 20 22
9p.
PC
3 2 7 8 6 5 1 4 9
PC-PC kapcsolat hardver vezérléssel.
3 2 7 8 6 5 1 4 9
Periféria
2.29.ábra. Direkt kábeles kapcsolat soros vonalon Az áramköri megoldás nem elégíti ki az alapsávú kódolásra kívánatosnak ítélt feltételeket. Nem nulla az egyenáramú középértéke a jelnek. Csak egyenáramú csatolással használható, ami erősen korlátozza a használhatóságot. A kigyenlítetlenség és a kábelreflexiók miatt a csatolókábel hossza erősen korlátozott. 9600 bit/sec esetén maximum 15 méter lehet. 2.4 Digitális átvitel A digitális jelátvitel legfőbb előnyei:
a jelek regenerálhatók,
nem kell megkülönböztetnünk a források jellegét. Hang, kép, stb. digitalizálása után egységes módon kezelhető az eleve digitális forrásokkal. 67
Hagyományos okokból (szöveg átvitel volt jellemző a kezdeti rendszerekben) a karakterorientált átvitel a legrégebbi. Egy karakter átvitelét általában egy 8 bites csoport, egy oktet valósítja meg. A karakterek átvitele lehet szinkron vagy aszinkron (Start-Stop). Az aszinkron átvitelt egy start – bit kezdeményezi. Ezt követi az információs bit-csoport, majd 1, 1.5, 2 stop bit zárja a karakter átvitelét. . Vezérlésre a karakterek egy része van fenntartva. Egy egyszerű konvenció bevezetésével a vezérlőjelek is elküldhetők a szöveg részeként is. A karaktert ilyenkor duplázzuk. Vevőoldalon az egyedül álló vezérlő karaktert vezérlőnek tekintjük, a duplázottból egyet eldobunk, egyet beillesztünk a szövegbe. Szinkron átvitelnél egy speciális bitcsoport jelzi a kezdetet. A szinkronizáló sorozatot meghatározott számú karakter követi. A módszer ott alkalmazható jól, ahol mindig azonos számú karaktert küldünk. (Pl. a terminál egy sorát, 40 vagy 80 karaktert). szinkron 01111110
szinkron
n darab karakter
01111110 2.30 ábra. Karakterek szinkron átvitele
A szinkronizáló bitsorozat jól meghatározhatja egy tetszőleges bitsorozat kezdetét is. A tetszőleges bitsorozatokat továbbító eljárások a bitorientált eljárások. A bitsorozatok hossza erősen változó lehet, nem gazdaságos az állandó hossz. Változó hossz esetén szükség van egy egy vezérlőinformációs mezőre, és a bitsorozat végét is célszerű jelezni. szinkron
szinkron
Vezérlő
adat
információ
elenőrző inf. végjelzés
2.31. ábra.
68
