Prenosov a m edia. PV 169 Z aklady prenosu dat. Jan Staudek Verze : podzim 2017

Transkript

1 Prenosov a m edia PV 169 Z aklady prenosu dat Jan Staudek Ð Û Å«Æ ±²³ µ ¹º»¼½¾ Ý Verze : podzim 2017

2 Prenosov e m edium Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 1

3 M edia voden eho typu twist / kroucen a dvoulinka a koaxi al m edia vhodn a pro audio i video prenosy poskytuj slusnou, nikoli vsak extr emn e velkou srku p asma sign al se v nich prenosem amplitudove a f azove zkresluje twist je navc n achyln y na preslechy ze sousednch kan al u optick e vl akno o nekolik r ad u vets srka p asma nez twist a koaxi al velmi nzk e zkreslen a utlum aplikovateln e jak pro dom ac tak i pro transatlantick e prenosy Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 2

4 Kroucen a dvoulinka, twist pair, twist Jeden vodic pren as sign al, druh y slouz jako referencn,,zem",n prijmac detekuje rozdl nap et mezi nimi. Kazd y vodic je samostatn e izolov an. Sum a preslechy mohou ovliv novat oba vodice Cm vce z avit u na jednotku d elky m edia, tm vyss je jeho prenosov a kvalita m edia, nez adouc efekty,,jdou proti sob e" Nejrozsren ejs m edium pro prenos v z akladnm p asmu (napr. LAN) Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 3

5 Kroucen a dvoulinka, twist pair, twist Minim aln indukcn odpor, maxim aln kapacitn odpor, sign aly s vysokou frekvenc se siln e utlumuj V telefonn sti tzv. mstn smycka, ucastnk{mstn ustredna V budov e spoj do pobockov e ustredny LAN spoj pro rychlosti prenosu dat 10 Mb/s az 100 Mb/s Casto je instalov ana do budovy uz pri v ystavbe. Casto se slucuje vce kroucen ych dvoulinek do 1 kabelu. Klady { levn e m edium, snadn a manipulace Negativa { mal e rychlosti prenosu dat (do 100 Mb/s), { mal a srka p asma (cca 1 MHz), kr atk y dosah Analogov y prenos { zesilovace po 5{6 km Digit aln prenos { opakovace po 2{3 km Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 4

6 Kroucen a dvoulinka, twist pair, twist nestn en a, Unshielded Twisted Pair (UTP) norm aln telefonn vodic nejlevn ejs snadno instalovateln e m edium snadn a moznost preslech u stn en a, Shielded Twisted Pair (STP) { produkt IBM kovov y uplet redukujc interference { ochrana proti penetraci elektronick ym sumem drazs obtzn ej manipulovateln e (hmotn ejs, t ezs) m edium Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 5

7 Kroucen a dvoulinka a UTP konektor RJ45 Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 6

8 Kroucen a dvoulinka, twist pair, UTP, kategorie EIA Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 7

9 Koaxi aln kabel res probl em twistu { pren as vyss frekvence minim aln e vyzaruje a absorbuje energii rychlost sren elmag sign alu je pro koaxi al a twist shodn a, cca 2/3 rychlosti sren ve vakuu (tj. cca km/s) Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 8

10 Koaxi aln kabel prenosov e m edium vyuziteln e v sirok e sk ale sf er LAN kr atk e poctacov e spoje d alkov e telefonn veden (desetitisce soub ezn ych hovor u) (zde postupn e nahrazovan y optick ymi vl akny) distribuce TV sign alu Analogov e vysl an { az do 500 MHz zesilovace po kilometrech, pri vyssch frekvencch blze sob e Digit aln vysl an { zesilovace po 1 km, pri vyssch rychlostech prenosu dat blze sob e Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 9

11 Koaxi aln kabel, BNC Konektor / Aplikace BNC { Bayone-Neil-Concelman Aplikace analogov e telefonn ste { prenos az hlasov ych sign al u digit aln telefonn ste { prenos digit alnch dat az do 600 Mb/s v soucasnosti v telefonnch stch m edium casto nahrazovan e optick ym kabelem LAN (10 Mb/s, dosah jednotky km), kabelov a TV Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 10

12 Optick e vl akno Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 11

13 Optick e vl akno, konstrukce Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 12

14 Optick e vl akno vets prenosov a kapacita { rychlosti prenosu dat az 10 2 Gb/s srka p asma rozsahu vln 1 000{1 200 nm, (pripom. f = c/λ, rychlost sren svetla vl aknem m/s) je B = ( )/( ) ( )/ = 33 T Hz a srka p asma rozsahu vln 1 000{1 400 nm je B = ( )/( ) ( )/ = 57 T Hz mal y rozmer, nzk a v aha mal y utlum elektromanegick a izolovanost v ets mezery mezi opakovaci destky km aplikace { d alkov a veden, MAN, LAN, ucastnick e smycky,... Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 13

15 Optick e vl akno prenosov e charakteristiky vede vlny s frekvencemi az Hz { infracerven e sv etlo az viditeln e sv etlo zdroj svetla { LED, Light Emitting Diode { levnejs zdroj sv etla { ILD, Injection Laser Diode { drazs, vyss rychlosti rezimy sren sign alu, vysl an multimode step-index multimode graded-index single-mode Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 14

16 multimode step-index Optick e vl akno konstantn hustota j adra vce paprsk u z jednoho zdroje se sr j adrem r uzn ymi cestami na prjmov em rozhran neurcit y v ysledek, v ets disperze multimode grade-index hustota j adra je v centru j adra vyss nez na okrajch vce paprsk u z jednoho zdroje se sr j adrem stojat ym vlnenm na prjmov em rozhran urcit y v ysledek, mens disperze rychlosti prenosu dat destky az stovky Mb/s i na destky km single-mode konstantn mal a hustota j adra, j adro velmi tenk e, mal y index lomu, paprsky ze zdroje se sr t emer rovnobezne na prjmov em rozhran velmi presn y v ysledek, z adn a disperze rychlosti prenosu dat destky az stovky Gb/s Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 15

17 Optick e vl akno, rezimy vysl an Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 16

18 Optick e vl akno, rezimy vysl an Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 17

19 Optick e vl akno, konektory / Kategorie optick ych vl aken Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 18

20 Optick e vl akno, aplikace m edium p aternch st, p atere st kabelov e TV velk a srka p asma, cenov a efektivita pri aplikaci WDM az Gb/s LAN { 100Base-FX (Fast Ethernet) a 1000Base-X V yhody velk a srka p asma (soucasn e gener atory sign alu ji nevyuzij) mal y utlum, odolnost v uci elmag interferencm, nerezav, nzk a v aha, odolnost v uci,,napchnut" Nev yhody obtzn ejs instalace a udrzba jednosm ernost sren sign alu, pro duplex jsou nutn a 2 vl akna vyss cena nez jin e vodice Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 19

21 Optick e vl akno, multiplexov an lze aplikovat multiplexov an typu WDM, Wavelength Division Multiplexing logick y ekvivalent FDM pro optick a vl akna data jsou modulovan a do r uzn ych c ast sveteln eho spektra pouzv a se rovn ez DWDM, Dense Wavelength Division Multiplexing protokolov e nez avisl a technologie rychlosti prenosu dat az do 200 Gb/s typicky 80 paralelnch kan al u ve frekvencnm spektru v kazd em kan alu lze uplatnit jin e prenosov e mechanismy { (napr. TDM, resp. ATM, SONET/SDH, Ethernet,... ) Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 20

22 Nevoden a m edia Bezdr atov e vysl an (Wireless Transmission) Sren elektromagnetick ych vln bez pouzit fyzick eho vodice Sign aly se sr eterem a jsou dostupn e komukoliv, kdo provozuje zarzen schopn e je prijmat Pro bezdr atov e komunikace se pouzvaj tato spektra elektromagnetick ych vln: Pro komunikace se nevyuzv a elmag vln en z p asem frekvenc: šíření energie a {ultrafialové světlo, X, gama a kosmické záření} Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 21

23 Sren sign alu eterem Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 22

24 P asma r adiov ych vln a mikrovln a jejich vyuzv an Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 23

25 Tri skupiny vln pro bezdr atov e prenosy Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 24

26 Typick e aplikace bezdr atov ych prenos u r adio, TV { stovky KHz az stovky MHz pozemn mikrovlny { 2 az 40 GHz, predevsm p asma 4{12 GHz, d alkov e telefonn spoje a spoje datov ych st, prm a viditelnost vyslac{prijmac, opakovace po 10 { 100 km satelity { 4/6 GHz, 12/14 GHz (up/down) bu nkov e ste mobil u { 1 az 2 GHz bezdr atov e LANy { jednotky GHz infracerven e sv etlo { prm a/odrazen a radiace na kr atkou vzd alenost Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 25

27 R adiov e vysl an Typy bezdr atov eho vysl an R adiov e vlny: 3 KHz { 1 GHz, vsesmerov e vysl an jeden vyslac, mnoho prijmac u AM a FM r adio, televize, bezdr atov a telefonie, paging,... Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 26

28 Typy bezdr atov eho vysl an Mikrovlnn e vysl an Mikrovlny: 1 GHz { 300 GHz smerov e vysl an, vyslac a prjmov a ant ena v lnii paraleln vysl an se vz ajemn e nerus jeden vyslac, jeden prijmac LOS { smerov e ant eny mus b yt umst'ovan e,,vysoko" vliv zakriven zeme, stnen prek azkami,... Velmi vysok e frekvence neproch azej zdmi sirok e p asmo kmitoct u (az 299 GHz), lze pridelovat velk e srky p asma, lze vyslat vysok ymi rychlostmi Aplikace: P2P komunikace, mobiln telefonie, satelitn prenosy, bezdr atov e LAN,... Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 27

29 Sm erov e sren vln Mikrovlnn e ant eny Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 28

30 Typy bezdr atov eho vysl an Vysl an infracerven eho vln en Infracerven e vlny: 300 GHz { 400 THz (1mm az 720 nm) vysl an pouze na kr atk e vzd alenosti velmi vysok e frekvence neproch azej zdmi syst emy umst en e ve vedlejsch mstnostech se nerus na velk e vzd alenosti nepouziteln e, rus infracerven e z aren ze slunce sirok e p asmo kmitoct u (az 400 THz), lze pridelovat velk e srky p asma, lze vyslat vysok ymi rychlostmi Aplikace: pripojen kl avesnice, mysi, tisk arny,... Konzorcium podporujc tuto technologii { IrDA (Infrared Data Association) { standard IrDA: LOS, 75 Kb/s az 4 Mb/s na vzd alenost 8 m Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 29

31 Ant eny bezdr atov a m edia { (atmosf era, voda, vakuum) { hlavn roli hraje srka p asma vytv aren a ant enou, ant enou se do m edia pred av a pren asen a energie (sign al) ant ena funguje jako z aric i absorber energie vyzarov an je ucinn e, kdyz je ant ena dels nez 1/10 vlnov e d elky r adiov e vysl an v p asmu frekevenc AM, napr. na 1 MHz, tj. na vlnov e d elce 300 m pozaduje alespo n 30 m ant enu Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 30

32 Ant eny ant ena elektrick y vodic nebo syst em vodic u vysílání - vyzaruje elektromagnetickou energii do prostoru přijímání - sbr a elektromagnetickou energii z prostoru isotropick y vyzarovac ve vsech sm erech (3 dimenze) shodn e vyzarov an pouze referencn teoretick a ant ena re aln e ant eny nejsou isotropick ymi vyzarovaci vzdy maj sm erov e efekty (svisle a/nebo vodorovn e) Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 31

33 Ant eny vyzarovac / prijmac vzor grack a reprezentace vyzarovac charakteristiky ant eny srka paprsku mra sm erovosti, paprsek polovicnho v ykonu typy ant en dip ol { t emer izotropn parabolick a ant ena { v yrazne smerov a antenn zisk mra smerovosti, pomer v ykonu v jist em smeru v uci isotropn ant ene mer se v db Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 32

34 Typy ant en { dip oly a jejich vyzarovac vzorky Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 33

35 Typy anten { dipoly, parabola Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { P renosova media 34

36 Typy ant en { diskov e (paraboly) a trycht yrov e ant eny pouzvaj se pro prenosy v oblasti pozemnch a satelitnch mikrovln Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 35

37 Parabolick a (diskov a) ant ena pouzv a se pro prenosy v oblasti pozemnch a satelitnch mikrovln Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 36

38 Defekty bezdr atov eho vysl an Ztr aty ve voln em prostoru pro isotropn ant enu plat ztráty = P v /P p = (4πd) 2 /λ 2 (P v /P p je vyzarovan y/prijman y v ykon, λ je vlnov a d elka) obecne plat, ze energie sign alu se vzd alenost kles a, na nizsch frekvencch rychleji Atmosf erick e absorbce opar ovliv nuje od p asma 22 GHz d est' a mlha rozptyluje radiov e vlny L am an, oh yb an na hran ach a rozhranch m edi s r uzn ymi prenosov ymi vlastnostmi Vcecestn interference k prijmaci dor az vce stejn ych sign al u r uzn ymi cestami, tudz v case posunut ych Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 37

39 Vcecestn e interference pri vysl an typu LOS Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 38

40 Elektromagnetick e spektrum { bezdr atov e vyuzit ELF VLF, audiopásmo, lodní navigace z pobřeží { velmi dlouh e vlny, 10 km { 1000 km, Hz { 30 khz { sren pozemn vlnou { velmi mal a srka p asma (1{10 %), pomal e rychlosti prenosu dat { siln e interference mnoha uzivatel u { pro digit aln vysl an nepouziteln e p asmo LF MF, pásmo AM radiového vysílání, námořní radio majáky, { dlouh e a stredn vlny, 100 m { 1 km, 30 khz { 3 MHz { sren pozemn vlnou (do 2 MHz), dosah az stovek km { rusen atmosf erick ymi poruchami hlavn e za dennho sv etla a sumem z lidsk e cinnosti na strane prijmace HF { kr atk e vlny, 10 m { 100 m, 3 MHz { 30 MHz { sren odrazem od ionosf ery { arm adn komunikace, komunikace na dlouh e vzd alenosti (lod e, letadla) Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 39

41 Elektromagnetick e spektrum { bezdr atov e vyuzit, 2 VHF/UHF pásmo FM radiového vysílání, UHV/VHF TV { metrov e vlny, 30 MHz { 1 GHz { LOS sren { jednoduch e mal e ant eny do automobil u, mobiln telefonie (GSM, 3G), DAB, DVB, dig. TV, DECT, obcansk e radiostanice { deterministick e charakteristiky sren, spolehliv e spojen UHF/SHF mikrovlny, { metrov e az centimetrov e vlny, 1 GHz { destky GHz { LOS sren { bezdr atov e LAN, satelitn spojen { omezen je dan e absorbc vln vodou a molekulami kyslku { sl abnut sign alu z avisl e na pocas, ztr ata sign alu pri velk em desti,... Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 40

42 Elektromagnetick e spektrum { bezdr atov e vyuzit, 3 SHF a vyšší orientované rádiové spoje, satelitní spojení, { centimetrov e az milimetrov e vlny, destky GHz { stovky GHz { LOS sren { mal a ant ena, koncentrace sign alu do paprsku { jsou pl anovan e syst emy LAN i pro spektrum EHF { milimetrov e vlny { jsou dostupn e velk e srky p asma Infračervené světlo mili- az nanometrov e vlny, p asmo 300 GHz { 200 THz LOS sren mstn 2-bodov e / vcebodov e spoje, mstn = v mstnosti apod. nutn a prm a viditelnost vyslac-prijmac, lze prijmat i odrazy od stropu apod. na rozdl od mikrovln neproch az st enou, snazs udrzen soukrom Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 41

43 R adiov e frekvence v p asmu 30 MHz { 1 GHz, metrov e vlny Pozn.: za r adiov e frekvence se genericky oznacuje cel e p asmo 3kHz { 300 GHz vhodn e pro vsesm erov e vysl an (na rozdl od mikrovln) pouzit r adiov e vysl an v p asmu VHF a c astecne v UHF FM r adio a UHF a VHF televize DECT, mobiln telefonie (GSM, 3G), DAB, DVB, dig. TV obcansk e radiostanice charakteristiky ant eny { vsesm erov a nemus b yt talrov a nemus b yt umsten a pevne a nastaven a presne smerove LOS sren { mus b yt prm a viditelnost mezi vyslacem a prijmacem metrov e vlny se neodr az od ionosf ery (m ene poruch), nejsou tak citliv e na pocas jako mikrovlny Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 42

44 Mikrovlny, p asmo 1GHz - 40 GHz, centimetrov e vlny vhodn e pro smerov e vysl an, 2-bodov e spoje, pozemn i satelitn prenosy LOS sren pozemn mikrovlnn e vysl an { cel e spektrum 1GHz { 40 GHz satelitn mikrovlnn e vysl an { 1 GHz az 10 GHz, v yse doch az k rychl emu utlumu, nad 10 GHz vyvol av a d est' poruchy (sum) plat { cm je vyss pouzit e p asmo frekvenc, tm je v ets potenci aln srka p asma, a tm je potenci aln e vyss rychlost prenosu dat ant eny mohou b yt mens (vlnov e d elky jsou kr atk e) a tudz levn ejs Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 43

45 Mikrovlny, p asmo 1GHz - 40 GHz, centimetrov e vlny, 2 opakovace mohou b yt od sebe vzd aleny destky az stovky km charakteristiky mikrovlnn e ant eny parabolick y talr, pr umer cca 3 m pevne smerovan a, uzk y paprsek prijmajc ant ena mus b yt na dohled mus b yt umsten a dostatecne vysoko nad zem (zvysuje se dosah, obch az se prek azky) pouzit d alkov e telekomunikacn sluzby v oblasti hlasu a TV (pomoc mezilehl ych stoz arov ych vyslac u), 2-bodov e spoje mezi budovami pro uzavren y okruh TV a data (kr atk a vzd alenost), casto se pouzv a pro obejit mstn telefonn sluzby frekvencn z akladna pro bu nkov e ste a bezdr atov e mstn smycky Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 44

46 Mikrovlny, p asmo 1GHz - 40 GHz, centimetrov e vlny, 3 typick e digit aln v ykony v oblasti mikrovln p asmo 2 GHz { srka p asma 7 MHz { rychlost dat 12 Mb/s p asmo 6 GHz { srka p asma 30 MHz { rychlost dat 90 Mb/s p asmo 11 GHz { srka p asma 40 MHz { rychlost dat 135 Mb/s p asmo 18 GHz { srka p asma 220 MHz { rychlost dat 274 Mb/s p asmo 4/6 GHz: d alkov e telefonn spoje, siln e pretzen, snaha o expanzi do p asma 11 GHz; satelitn spoje p asmo 12/14 GHz: kabelov a TV (CATV) { dorucov an sign alu jednotlivci pomoc koaxi alu, pokusy se satelity p asmo 20/30 GHz: prm e 2-bodov e spoje mezi budovami, na kr atkou vzd alenost, pokusy se satelity Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 45

47 Mikrovlny, p asmo 1GHz - 40 GHz, centimetrov e vlny, 4 satelitn mikrovlnn e vysl an { 1 GHz az 10 GHz, v yse doch az k rychl emu utlumu vyss frekvence ovliv nuje pocas komunikacn satelit { mikrovlnn y prijmac/vyslac spojujc alespo n dva pozemn mikrovlnn e prijmace/vyslace transponder { prijm a vysl an v frekvencnm p asmu 5,925-6,425 GHz (uplink), zesiluje nebo opakuje sign al a vysl a ho zpet na zem ve frekvencnm p asmu 3,7{4,2 GHz (downlink) doch az ke zpozd'ov an dky vzd alenosti (1/4 s pri km vzd alenosti od zeme), p asma 4/6 GHz, 12/14 GHz, 19/29 GHz (s.p. az 2500 MHz) sirok e pokryt pozemnho prostoru downlink paprskem { broadcasting! pouzit { distribuce televiznho sign alu, d alkov e telekomunikacn sluzby, priv atn byznys st e Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 46

48 Mikrovlny, p asmo 1GHz - 40 GHz, centimetrov e vlny, 5 satelitn mikrovlnn e vysl an { 1 GHz az 10 GHz Jan Staudek, FI MU Brno PV169 { Prenosov a m edia 47