Računalne mreže
 Studij elektrotehnike
 Tehnički fakultet Sveučilišta u Rijeci
 
 

 

TEORETSKE OSNOVE

PRIJENOSNI MEDIJI

BEŽIČNI PRIJENOS

 

Home : O kolegiju : Predavanja : Vježbe : Ocjenjivanje
 

IV. FIZIČKI SLOJ

1. Teoretske osnove prijenosa podataka

  • analogni signal – nema prekida ni diskontinuiteta signala; intenzitet signala mijenja se u vremenu postepeno

  • digitalni signal – intenzitet signala odražava konstantnu razinu u nekom vremenskom periodu, a zatim se mijenja u drugu konstantnu razinu

Analogni i digitalni val

Slika:Analogni i digitalni val (Stallings, 2004)

 

  • periodični signal (periodic signal) – isti uzorak se ponavlja nakon određenog vremenskog perioda, na primjer:

Primjeri periodičnih signala


Slika: Primjeri periodičnih signala (Stallings, 2004)

f – frekvencija (broj ponavljanja signala u ciklusima po sekundi (herzima - Hz)
T - period (vrijeme jednog ponavljanja), T = 1/f
A – amplituda
F - faza

  • digitalni signali se prenose po prijenosnom mediju koristeći fizička svojstva kao što je napon struje čije se ponašanje može prikazati kao funkcija vremena f(t) i matematički analizirati

  • prilikom prijenosa dolazi do izobličenja signala

  • Fourierova analiza:

    • periodička funkcija vremena s periodom T=1/f može se rekonstruirati iz Fourierova reda (beskonačni zbroj sin i cos); što se više elemenata zbroja uzme, vjernije se aproksimira originalni signal

     

  • na primjer, ASCII znak b kodiran kao 01100010:

Slika: a) binarni signal i Fourierove amplitude, b-e) aproksimacije originalnog signala (Tanenbaum, 1996)

  • kapacitet kanala (chanell capacity) - makismalna brzina prijenosa koja se, uz dane uvjete, može prenijeti po komunikacijskom kanalu

  • 4 međusobno ovisna koncepta:

    • učestalost (brzina) prijenosa (data rate) – mjeri se u bitima u sekundi (bit/s)

    • širina pojasa (bandwith) – ovisna o prijenosnom mediju, mjeri se u herzima

    • šum (noise) – prosječna razina šuma (smetnji) na komunikacijskom kanalu

    • učestalost pogreški (error rate) – pogreška je prijem 1 ako je poslana 0 i obrnuto

  • prigušenje ili slabljenje signala (attenuation) - signal se kvari nakon neke maksimalne dužine kabela
     

Nyquistov teorem

  • promatra se kanal bez šumova – ograničenje brzine prijenosa je jedino širina pojasa (bandwith)

  • ako originalni signal prolazi kanalom bez šumova s širinom pojasa H, filtrirani signal moći će se potpuno obnoviti uzimajući 2H uzoraka po sekundi

  • za kanal s širinom pojasa H najveća brzina prijenosa je 2H

  • maksimalna brzina prijenosa CN je:

CN = 2H log2 V (bit/s)

V – broj razina signala

  • Na primjer, za V=2 i H=3000Hz => CN=6000 bit/s
     

Shannonova formula za kanale sa šumovima

  • ako postoji šum, što je veća brzina prijenosa, veća je i učestalost šuma

  • promatra se odnos signal-šum (signal-to-noise ratio) SNR (decibeli dB) – omjer snage signala i snage šuma prisutan u nekom određenom trenutku prijenosa (veći SNR, kvalitetniji signal):

SNR = 10 log (snaga signala/snaga šuma)

  • Shannonova formula:

kapacitet kanala C = H log2 (1 + SNR) (bit/s)

  • formula daje gornju granicu koju stvarni sustavi vrlo rijetko dostižu
     

2. PRIJENOSNI MEDIJI

  • neke  karakteristike medija za prijenos podataka: širina pojasa (bandwidth), kašnjenje (delay, cijena, lakoća instalacije i održavanja
  • prijenos podataka određen je karakteristikama i signala i medija
  • razlikuju se:

1. vodički mediji (guided)

  • više utječu na karakteristike prijenosa nego signal
  • najčešći: parica, koaksijalni kabel, optička vlakna

2. nevodički mediji (unguided)

  • na prijenos više utječe signal nego ova vrsta medija
  • na pr. radio valovi

MAGNETSKI MEDIJI

  • podaci se sa jednog računala pišu na diskete, magnetske trake i sl. i čitaju na odredišnom računalu
  • koristi se kad je potrebna visoka propusnost po niskoj cijeni
  • nedostatak: kašnjenje je veliko - vrijeme prijenosa mjeri se u minutama ili satima, ne milisekundama

a) PARICA (twisted pair)

  • najstariji i još jako korišten medij
  • sastoji se od 2 izolirane bakrene žice oko 1 mm debele, a koje su povezane isprepleteno (upredeno) kako bi se reducirala električna interferencija iz okoline
  • duljina 1 prepleta (twist length) obično 5-15 cm

 Parica

Slika: Parica (Stallings, 2004)
  • najčešća primjena je telefonski sistem
  • parica se može bez smetnji koristiti do udaljenosti od nekoliko km, za duže su potrebna pojačala (repeaters)
  • više parica može se grupirati zajedno unutar plastičnog zaštitnog omotača (na pr. Category 3 - 4 parice zajedno)
  • parica se može koristiti za analogni (pojačala 5-6 km) i digitalni prijenos podataka (pojačala 2-3 km); propusnost ovisi o debljini žice i udaljenosti (nekoliko Mb/s)
  • jeftin medij lak za instalaciju; obično se instalira u zgradi za vrijeme izgradnje
  • pogodan ako interferencija nije velika
  • ograničenja: udaljenost, širina pojasa, brzina prijenosa podataka
  • dvije vrste važne za računalne mreže:

1. neoklopljena parica (UTP - Unshielded Twisted Pair)
2. oklopljena parica (STP - Shielded Twisted Pair)

  • UTP - obična telefonska žica, jeftina i laka za instalaciju, koristi se za LAN
  • na UTP dosta utječu elektromagnetske smetnje (susjedne parice, šumovi)
  • kod STP oklop (shield) - metalna folija za zaštitu parice
  • 1991. standard EIA-568 (Electronic Industries Association) specificira korištenje UTP i STP za LAN s brzinama prijenosa od 1-16 Mb/s
  • 1995. EIA-568-A za brzine do 100 Mb/s
  • EIA-568-A razlikuje 3 kategorije:
    • kategorija 3 (Category 3) - 10 Mb/s, zadovoljava min. zahtjeva za prijenos podataka u Ethernet mrežama
    • kategorija 4 - 16 Mb/s 
    • kategorija 5 - 100 Mb/s, standard za nove LAN mreže
  • najviše se koriste 3 i 5: 5 je jače isprepletana parica, skuplja ali daje bolje performanse mreže
  • kategorija 6 - 1000 Mb/s, specifikacije u izradi

b) KOAKSIJALNI KABEL

  • sastoji se od bakrenog vodiča obloženog izolacijom, vanjskog vodiča (pleteni oklop) i zaštitnog plastičnog omotača

Koaksijalni kabel

Slika: Koaksijalni kabel (Tanenbaum, 1996)

  • različite primjene za prijenos analognih i digitalnih podataka: televizija (kabelska TV), telefonija, LAN
  • manje prigušenje nego kod parice
    •
  • podjela:
    • za prijenos u osnovnom području (baseband coaxial cable)
    • za širokopojasni prijenos (broadband coaxial cable)

     

  • kabel za prijenos u osnovnom području:
    • za prijenos digitalnih podataka
    • jedan kanal za prenošenje samo jedne informacije u jednom trenutku
    • propusnost ovisi o dužini kabela, npr. za 1km 10 Mb/s
    • koristi se za kabelsku televiziju i neke LAN
  • kabel za širokopojasni prijenos
    • za analogni prijenos koji je manje osjetljiv od digitalnog, pa udaljenosti mogi biti i 100 km, ali i za prijenos digitalnih podataka (skuplja i složenija izvedba nego za kabel za prijenos u osnovnom području)
    • mogu prenositi integrirane signale govora, podataka i video signale
    • veći domet postiže se pojačalima - problem: mogu prenositi signale samo u 1 smjeru
    • problem se rješava korištenjem 2 tipa širokopojasnih sistema:

- dvostruki kabel (dual cable) - koristi 2 paralelna kabela, jedan za prijenos podataka prema glavnom čvoru (head-end), a drugi od tog čvora u suprotnom smjeru; računala šalju podatke po jednom, a primaju po drugom kabelu

- jednostruki kabel (single cable) - koristi različite frekvencije za prijenos u različitim smjerovima po istom kabelu

Dvostruki i jednostruki koaksijalni kabel

Slika: Dvostruki i jednostruki koaksijalni kabel za širokopojasni prijenos (Tanenbaum, 1996)

c) OPTIČKA VLAKNA (FIBER OPTICS)

  • prijenos na koji ne utječe elektromagnetska interferencija i koji se može s malim greškama koristiti na udaljenosti od nekoliko kilometara
  • nedostatak: skuplji u odnosu na ostale prijenosne medije
  • prednosti:
    • veći kapacitet, veoma brz prijenos podataka, velika širina pojasa - stotine Gb/s
    • tanji kabel i manje težine
    • manje prigušenje - veći razmak pojačala (repeaters): na svakih 10-ak km
    • na prijenos ne utječu vanjska elektromagnetska polja niti kabel stvara svoje smetnje, kabel nije osjetljiv na prisluškivanje
  • optički sistem za prijenos podataka ima 3 komponente: medij za prijenos kojem je na jednom kraju izvor svjetla, a na drugom detektor
  • medij za prijenos
    • tanko stakleno ili plastično vlakno
  • izvor svjetla
    • svjetleća dioda (LED - light emitting diode) ili laserska dioda
    • prihvaća električni signal i pretvara ga u impulse svjetla
    • svjetlo predstavlja 1 bit, nedostatak svjetla predstavlja 0 bit)
  • detektor
    • generira el. impulse kad na njega padne svjetlo

 

  • fizički princip: zraka svjetla koja prolazi iz jednog medija u drugi (sa različitim indeksom loma svjetlosti) lomi se na granici tih medija

Primjeri loma zrake svjetlosti

Slika: Primjeri loma zrake svjetlosti (Tanenbaum, 1996)

  • kada medij (na pr. staklo) ima veći indeks refrakcije od okoline, kut upadanja je takav da se zraka svjetla vraća u staklo i tako se može širiti kilometrima
  • ako takvih zraka u staklu ima više sa različitim kutevina - višemodno (multimode) vlakno

Višemodno ptičko vlakno

Slika: Višemodno optičko vlakano (Stallings, 2004)

  • jednomodno (single-mode) vlakno - promjer vlakna se reducira na nekoliko dužina vala svjetla, pa se svjetlo širi u ravnoj liniji (bez odbijanja) - skuplji način, ali može prenijeti nekoliko Gb/s na 30 km

Jednomodno optičko vlakano

Slika: Jednomodno optičko vlakano (Stallings, 2004)

 

OPTIČKI KABELI

Optički kabel

Slika: Optički kabel (Tanenbaum, 1996)

  • djelovi kabela:
    • staklena jezgra kroz koju se širi svjetlo (debljina oko 50 mikrona kod višemodnih vlakana, tj. 8-10 kod jednomodnih)
    • staklena košuljica (cladding) s nižim indeksom loma nalazi se oko jezgre
    • plastični zaštitni omotač
    • vanjske korice
  • vlakna se mogu povezivati:
  1. konektorima (gube 10-20% svjetla)
  2. mehanički (10%)
  3. taljenjem (skoro bez gubitaka, kao da je jedno vlakno)
  • 2 tipa izvora svjetla:
  1. LED (Light Emitting Diode) - emitiraju snop svjetla
  2. laser dioda (ILD - Injection Laser Diode)
  • na primajućem kraju vlakna je fotodioda koja generira el. impulse

 

OPTIČKE MREŽE

  • najpogodnija topologija: LAN sa prstenastom topologijom i točka-točka vezama
  • sučelje (interface) na svakom računalu šalje impulse svjetla do slijedeće veze i omogućuje da računalo šalje i prime poruke
  • 2 tipa sučelja:

1. pasivno sučelje

- sastoji se od dvije cjevčice (taps) spojene na glavno vlakno, na jednoj je LED ili laserska dioda (za slanje), a na drugoj fotodioda (primanje)

- prednost: pouzdanost jer je u slučaju kvara samo jedno računalo off-line

2. aktivno pojačalo (repeater)

- dolazeće svjetlo pretvara se u el. signal, obnavlja se do pune jačine i ponovo šalje kao svjetlo

- sučelje prema računalu je obična bakrena žica koja vodi do regeneratora signala

- omogućuje dulje veze između računala, ali se u slučaju kvara prekida cijela mreža

Aktivni pojačivač

Slika: Aktivno pojačalo (Tanenbaum, 1996)

 

Usporedba optičkih vlakna sa bakrenom žicom 

  • prednosti: veća propusnost, pojačala potrebna samo na oko 30 km (5 km kod bakra), ne utječe el. interferencija ili korozija, lakša od bakra,...
  • nedostaci: nedovoljno poznata tehnologija, prijenos je jednosmjeran, optička sučelja skuplja od električnih

 

3. BEŽIČNI PRIJENOS

  • koristi se tamo gdje nije moguće postavljanje kabela
  • elektroni u pokretu kreiraju elektromagnetske valove koji se u prostoru šire; broj oscilacija 1 elektrom. vala u sekundi je frekvencija f (Hz)
  • princip bežične (wireless) komunikacije: na električni krug se priključuje antena koja emitira elektromagnetske valove, prijemnik ih na određenoj udaljenosti prihvaća
  • za prenošenje informacija koriste se radiosignali, mikro i infracrveni valovi i vidljivi dio svjetla
  • veće frekvencije (bolje za prijenos) imaju UV, X i Gama zrake, ali se ne koriste - ne šire se dobro kroz zgrade, opasne za zdravlje
  • količina informacija koju elektromagnetski val može nositi ovisi o rasponu frekvencije (frequency band)
  • s trenutnom tehnologijom može se kodirati nekoliko bitova po Hz za niže frekvencije, te uz neke uvjete čak 40 bitova za visoke frekvencije
  • nacionalni i međunarodni dogovori o dozvoljenim frekvencijama
  • elektromagnetski spektar i njegovo korištenje za komunikacije:

Elektromagnetski spektar

Slika: elektromagnetski spektar i njegovo korištenje za komunikacije (Tanenbaum, 1996)

 

a) RADIO PRIJENOS
 

  • prednosti: radio valovi se lako generiraju, mogu prelaziti velike udaljenosti, prodiru kroz zgrade, mogu putovati u svim smjerovima od izvora
  • problem: interferencija električne opreme u okolini
  • osobine radio valova ovise o njihovoj frekvenciji:
    • niske frekvencije: prolaze dobro kroz prepreke, ali slabe sa udaljenošću od izvora; koriste se za udaljenosti od oko 1000 km i imaju dosta nisku širinu pojasa
    • visoke frekvencije: putuju u ravnim linijama i odbijaju se od prepreke; dostižu jonosferu i odbijaju se natrag na zemlju; za duže udaljenosti

 Radio valovi

Slika: VLF, LF, MF - radio valovi slijede površinu zemlje; HF - odbijaju se kad dosegnu jonosferu (Tanenbaum, 1996)

b) MIKROVALOVI (microwave)

  • korišteni prije optičkih vlakana za telefonski sistem na većim udaljenostima
  • mikrovalovi putuju u ravnoj liniji, a signal se povećava paraboličkom antenom; antena koja ga šalje i ona koja ga prima moraju biti točno poravnate jedna u odnosu na drugu
  • između tornjeva sa antenama potrebna su pojačala, manje ih treba što su tornjevi viši
  • ne prolaze dobro kroz zgrade, na njih utječu i vremenske prilike
  • prednost: jeftiniji u odnosu na optička vlakna

 

c) INFRACRVENI VALOVI (infrared and milimeter waves)

  • koriste ih npr. daljinski upravljači za TV, video...
  • ne prolaze kroz čvrste objekte (kao ni vidljiva svjetlost) - nisu svugdje pogodni
  • pogodni za bežične LAN unutar zgrade, npr. za povezivanje prijenosnih računala koji imaju ugrađene mogućnosti za takvu komunikaciju, za povezivanje prijenosnih računala i printera opremljenih infracrvenim senzorima

 

d) Svjetlosni valovi (lightwave) 

  • LAN-ovi u dvije zgrade povezuju se pomoću lasera na krovovima
  • prednost: visoka propusnost i niska cijena
  • nedostatak: laserske zrake ne prodiru kroz kišu ili maglu

BEŽIČNI LAN

  • bežične lokalne mreže počele su se koristiti kasnih 1980-ih godina

  • koristi se za proširenje LAN i olakšavanje povezivanja prijenosnih računal na mrežu bez uporabe kabela

  • IEEE 802.11 standard koji definira skup usluga i fizički sloj za bežični LAN (uljučuje raspon frekvencija za LAN koji koriste radio i infracrvene valove)

  • problem kod radio valova: signal s podacima može uhvatiti i netko kome nije namijenjen (prisluškivanje) - jedno od rješenje je skakanje frekvencija

  • primjeri konfiguracija:

Single-cell wireless LAN

Slika: bežični LAN s jednom ćelijom (single-cell wireless LAN) (Stallings, 2004)

CM  (kontrolni modul) je sučelje prema bežičnoj LAN; svi bežični sustavi su unutar ranga jednog CM

 

Multiple-cell wireless LAN

Slika: bežični LAN s više ćelija (multiple-cell wireless LAN) (Stallings, 2004)

postoji više CU povezanih preko žičane LAN; svaki CU podržava više bežičnih sustava
© 2004. N.Hoić-Božić