11. Технологии физического уровня. Линии связи и их характеристики - shikardos.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
11. Технологии физического уровня. Линии связи и их характеристики - страница №1/1

11. Технологии физического уровня. Линии связи и их характеристики.
Общий вид линии связи:
[DTE]--[DCE]--[>]--[MUX]--[SWITCH]--[MUX]--[>]--[DCE]--[DTE]
DTE - Data Terminal Equipment - оконечное оборудование данных

DSE - аппаратное устройство передачи данных (пр. модем)

[>] - усилитель

MUX - мультиплексор

SWITCH - коммутатор
Линии связи:

1) По среде передачи:

-проводные (воздушные)

-кабельные (медные, волоконно-оптические) - всё, отличное от голых проводов

-радиоволны
2) По структуре:

-несимметричные (небалансные) (один из проводов - нулевой) пр. RS-232

Преимущество - минимальное число проводов

Недостаток - низкая скорость и малое расстояние передачи данных, а также отсутствие гальванической развязки между устройствами


-симметричные (балансные): каждый сигнал передаётся по паре проводов, и во внимание принимается разность напряжений между ними (пр. RS485, Ethernet)

Преимущества - помехоустойчивость, гальваническая развязка

Недостаток - большее число проводов
Витая пара:

-неэкранированная (UTP)

-экранированная (STP)
Радиоэфир:

Диапазоны: КВ, СВ, ДВ - AM, УКВ - FM, СВЧ - microwave

ISM - Industry, Science, Medical - диапазоны, разрешённые к использованию без лицензирования
Основные характеристики линий связи:

1) АЧХ


2) Полоса пропускания

3) Затухание

4) Помехоустойчивость

5) Перекрёстные наводки

6) Достоверность передачи данных

7) Удельная стоимость


АЧХ - зависимость коэффициента передачи линии от частоты

Коэффициент передачи - отношение амплитуды (или мощности) сигнала на дальнем конце линии к амплитуде (или мощности) на ближнем.

Полоса пропускания - непрерывный диапазон частот, для которого коэффициент передачи по больше некоторого заранее заданного предела (как правило, 0,5)
Мультиплексирование - уполотнение канала. При помощи специального устройства - мультиплексора - несколько сигналов передаются по общему каналу, и на другом конце линии специальное устройство - демультиплексор - разделяет эти каналы.

FDM - Frequency Division Multiplexing - мультиплексирование с частотным разделением. Предполагается размещение в пределах полосы пропускания нескольких каналов меньшей ширины (радио, ADSL)

TDM - Time Division Multiplexing - мультиплексирование с временным разделением

Кадровая передача данных, причём осуществляется переход с канала меньшей ширины на канал большей.

Мобильная радиосвязь, все сети с коммутацией пакетов, компьютерные шины передачи данных

Первичные сети.

Первичные (опорные) сети - сети, обеспечивающие связь между провайдерами.

Задача первичной сети:

1) Создание коммутируемой инфраструктуры

2) Коммутация каналов

3) Обеспечение надёжной связи

В среднем от 2 Мб/с до 10 Гбит/с

Поколения:

1) PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) - плезиохронная цифровая иерархия (разработано AT&T для собственных нужд). Основана на спектральном уплотнении. Используется импульсно-кодовая модуляция (ИКМ, PCM). При передаче аналоговых сигналов они оцифровываются на мультиплексоре. Оцифровка идёт с частотой 8 кГц, каждый канал получает 64 кбит/с, при наличии 24 каналов получается 1,544 Мбит/с

T1/E1/G1 - изначально планировались для передачи голоса, затем были использованы и для передачи данных
Dsn (уровень иерархии) Количество Кол-во каналов Скорость в

Обозначение скорости каналов пред. уровня мегабитах

A E A E A E

DS0 1 1 1 1 64kb 64kb

DS1 24 30 24 30 1.544 2.048

DS2 96 120 4 4 6 8

DS3 672 480 7 4 44.736 34.348

DS4 4032 1920 6 4 276.176 139.264


Плезиохронный - "почти синхронный". Витая пара, коаксиальный кабель. Код AMI, HDB3, B8ZS.

В аппаратуре T1 8-й бит каждого байта в кадре имеет служебное значение. Это приводит к уменьшению реальной скорости, например, с 64 до 56 кбит/с ("кража бита"). Бит-стаффинг - добавление специально генерируемых бит в поток, если скорость пользовательского потока меньше скорости потока, через который его приходится передавать.

Через каждые 1800 миль нужно ставить линейные регенераторы.

Сети PDH описываются стандартами G.701-G.708; физический уровень - G.703

Ограничения технологии:

1. Сложность мультиплексирования. В частности, для извлечения потока E0 из потока E3, сначала извлекается поток E2, из него - E1 и уже из него - E0. Это сильно усложняет и удорожает аппаратуру.

2. Отсутствие средств отказоустойчивости и средств администрирования. Результат - высокая доля ручного труда

3. Низкая скорость передачи данных. E4 - 139 Мбит/с даже по оптоволокну.

Обратная доставка - вариант организации сети, в котором трафик проходит через промежуточный пункт на коммутатор, а затем возвращается от коммутатора в тот промежуточный пункт.
2) SDH/SONET (Synchronous Digital Hierarchy) - синхронная цифровая иерархия. В 1984 г. разработан стандарт SONET для решения задачи передачи магистрального трафика между сетями PDH. SDH был разработан в Европе, после чего оборудование стандарта SONET было доработано для совместимости.

Кадры (STM - Synchronous Transport Module - синхронизируемый транспортный модуль) - единица передачи информации. Для стандарта SONET могут быть 2 вариантов - STS-N (Synchronous Transport Signal, медные линии) и OS-N (оптические каналы)


SDH SONET скорость

STM1 STS-3, OS-3 155.520 Мбит/с

STM3 OC-9 466.460 Мбит/с

STM4 OC-12 622.080 Мбит/с

STM6 OC-18 933.120 Мбит/с

...


STM256 OC-768 39.81 ГБ/с

Виртуальный контейнер (VC11, Virtual container) - заключают в себя блоки информации PDH и служебную информацию:

1) Заголовок пути POH (path overhead)

2) Индикатор установления соединения между точками

Виртуальные контейнеры являются единицами мультиплексирования SDH.

STM-N -> AU6 <- AU4 <- VC4 ---- 140 Мб/с

^

|

AU3 <- VC3 <- TUG3 <- TU2 <- VC2 ---- 6 Мб/с



^

|

TU12 <- VC12 <---- 2 Мб/с



TU - трибутарные блоки

AU - агрегатные блоки

Оборудование:

Мультиплексор - обладает несколькими портами, как для стандарта PDH, так и для SDH, причём на разные стандарты и разных типов:

1) Трибутарные порты (порты ввода-вывода) - подключены к конечным пользователям

2) Агрегатные порты (линейные порты) - соединены с магистралями


UE --|\ /^\ /|--UE

UE --|TM>------>/ADM\ <------

UE --|/ ------ \|--UE

| |


UE UE

UE - пользовательское оборудование

TM (Terminal Multiplexor) - терминальный мультиплексор - с одним агрегатным портом и большим числом портов трибутарных

ADM (Add-Drop Multiplexor) - мультиплекскор ввода-вывода - с большим числом агрегатных портов и несколькими трибутарными

DСС (Digital Cross-Connector) - цифровые кросс-коннекторы - без различия между портами.
Стек протоколов:

1) Фотонный уровень - кодирование информации путём модуляции цвета (NRZ3)

2) Уровень секций - поддержка физической целостности сети

3) Генераторная секция - участок между мультиплексором и прометуточным усиливающим оборудованием

4) Уровень линии (мультиплексорная секция) - отвечает за передачу данных между 2 мультиплексорами

5) Уровень тракта - доставка данных между 2 конечными пользователями


Тракт ------------------------------------------- данные ------- тракт

Линия ---- кадры STM-N -----[ ]------------------------------- линия

Секция -- кадры -- [ ]----[ ]----------[ ]---------------- секция

Фотон -- свет --- [ ]----[ ]----------[ ]---------------- фотон


Типовые топологии:

1) Кольцо

2) Цепь

3) Ячеистая (ячейки в виде колец, соединённые между собой в цепи или кольца)


Основной принцип надёжности - автоматическое переключение. Существует 3 схемы защиты:

1) Защита 1+1 - резервный элемент выполняет ту же самую работу, что и защищаемый

2) Защита 1:1 - резвервный элемент в штатном режиме не выполняет никакой работы и включается при выходе из строя защищаемого элемента

3) Защита 1:N - резервный элемент на несколько защищаемых

-защитное переключение оборудования (Equipment Protection Switching) - защищает блоки коммутации, блоки процессора мультиплексоров, блоки ввода сигналов и т. д., работает либо по принципу 1:1, либо 1+1

-защитное переключение карт (1:1, 1+1, 1:N) - специальные карты-переключатели.

-защита мультиплексорной секции (1+1) - однонаправленное, двунаправленное

-защита сетевого соединения (защищается трафик виртуального контейнера)


3) OTN (WDM)

Беспроводная передача данных


Первый мобильный телефон изобретён Эдисоном, 1910 г.

Для беспроводной передачи данных используются электромагнитные волны, в 99% случаев - радиоволны. Также существуют лазерные системы передачи, но их недостатком являются высокие требования к точности наведения и недостаточная устойчивость к климатическим условиям.

Для передачи данных при помощи радиоволн необходимы приёмник и передатчик. Приёмнику и передатчику нужны антенны.

Антенны делятся на 2 типа:

1) Всенаправленные (без выделенного направления излучения)

2) Направленные (излучающие в определённом секторе основную часть энергии)


До 300 ГГц - радиодиапазон.

300 МГц-3000 ГГц - микроволновые системы

Выше 3000 ГГц - инфракрасное излучение

Чем выше частота, тем выше скорость передачи сигнала

-тем сложнее сигнал проходит через препятствия

-тем быстрее убывает энергия сигнала с расстоянием от источника (A~r^2*f^2)

От 2 до 20 МГц сигнал отражается ионосферой

Радиоволны частотой выше 30 МГц распространяются прямолинейно.

4 ГГц - сигнал может поглощаться водой (влагой атмосферы)

В процессе распространения волны можно наблюдать несколько явлений:

1) Многолучевая интерференция

В пространстве между приёмником и передатчиком часто бывает много объектов, способных отражать сигнал. В результате он достигает приёмника с разным запаздыванием. Результирующие волны накладываются, и волна может стать как больше, так и меньше по амплитуде, чем в пустом пространстве

2) Дифракция

3) Рассеивание


Лицензирование.

В каждой стране есть организации, заведующие распределением радиочастот.

ISM - Industrial, Science, Medical - 2.4 ГГц - допускает эксплуатацию маломощных передатчиков без лицензирования.
Топология:

1) Точка-точка (вариант - радиорелейная линия)

2) Звезда (связь с базовой станцией)
Сотовая сеть - беспроводная сеть, зона покрытия которой разбита на области (соты), покрываемые одной базовой станцией и использующие один поддиапазон. Соты, использующие разные поддиапазоны, могут перекрываться.

_/2\_


/1\_/1\

\_/3\_/


/2\_/2\

\_/1\_/


\_/3\

\_/
N=D^2/3R^2, N - число сот, D - расстояние между центрами сот, R - радиус соты


Преимущества беспроводных сетей:

1) Условия, где локальная сеть невозможна (памятники архитектуры, вечная мерзлота)

2) Скорость развёртывания

3) Мобильность


Спутниковые системы связи.

Существует 3 типа спутниковых систем (по виду орбиты):

1) Геостационарные GEO - 35863 км

2) Средневысокая MEO - 5000-15000 км

3) Маловысокая LEO - 100-1000 км
Геостационарные спутники располагаются над экватором. Основная проблема - ограниченность числа позиций на экваторе (не чаще чем через 2 градуса)

Решения беспроводной передачи данных.


Проблема беспроводной сети - передатчик должен быть не слишком мощным, чтобы не создавать взаимных помех, и вместе с тем качество приёма должно быть достаточно высоким для достоверной передачи данных.

Решение - широкополосные (шумоподобные) сигналы и системы передачи данных. Технологии уширения спектра.

802.11 (1 Мбит): код Баркера

1 бит умножается на чип-последовательность из 11 бит (11100010010). Автокорелляция. Принятый сигнал умножается на чип-последовательность, в результате чего помехи не меняют амплитуды, а полезный сигнал резко увеличивается в амплитуде.

802.11b (11 Мбит): ССК-последовательности (компланарные коды)

Функция сигнала записывается на комплексной плоскости (представляется в виде 8 комплексных чисел).


802.11b - 2.4 MHz - 11 Мб/с

802.11a - 5 GHz - 55 Мб/с

802.11g - 2.4 GHz - 55 Мб/с

802.11n - 2.4/5 GHz - 580 (300) Мб/с


Интерференция:

1) Внутрисимвольная

2) Межсимвольная
Ортогональное частотное разделение с мультиплексированием (OFDM).
2.4-2.483 GHz: подканалы по 22 МГц, с максимумом на 12 МГц. Ортогональные коды соседних каналов, высокая степень перекрытия каналов.
Способы модуляции:

1) Фазовая (PSK - Phase Shift Key) - бинарная (BPSK), квадратичная (QPSK) - до 802.11b

2) Амплитудно-фазовая (16QAM, 64QAM - WiFi; 256QAM - WiMAX). 48, 55 Мб/с - QAM (802.11g)

CSMA/CD => CSMA/CA - обнаружение несущей с предотвращением коллизий.

Предотвращение коллизий:

DCF - функция распределения координации

backoffTime - время обратного отсчёта (в течение которого прослушивается несущая перед началом передачи), от 31 до 1023 таймслотов. При успешной передаче берётся максимальное значение; при неуспешной каждый раз уменьшается вдвое.

Механизм квитанций (опциональный) - подтверждение успешного получения пакета, используется для корректировки интервалов

WPAN - IEEE 802.15

802.15.1 - Bluetooth

802.15.4 - Zizbee

802.15.4ab - UWB


Bluetooth:

Для расширения спектра применяется метод скачкообразной перестройки частоты. Использует 79 подканалов по 1 МГц. При установлении соединения передатчики договариваются о псевдослучайной последовательности, в которой они переключают частоты. Переключение происходит 1600 раз в секунду, таким образом, на одном канале передатчик находится не более 625 мкс. Дополнительно это усложняет перехват данных с целью взлома, однако, это всё же оказалось достаточно просто.

NFC - оплата с банковской карты через Bluetooth.

Дальность связи:

Мощность передатчиков:

Class 1 - 100 мВт

Class 2 - 2.5 мВт

Class 3 - 1 мВт

Дальность связи:

Class 1 - 100 м (теоретически)


Способы соединения:

1) Точка-точка

2) Точка-многоточка

Если устройства используют один канал, они используют т. н. пикосеть. В ней есть 2 устройства - master и slave, причём вполне допустима ситуация, когда master для одного узла является slave для другого.

Пакет:

1) Код доступа



2) Заголовок

3) Полезная информация

Код доступа:

1) Преамбула (4 бита)

2) Синхрослово (64 бита)

3) Контрольная сумма (4 бита)

Заголовок:

1) Адрес (3 бита)

2) Тип (4 бита)

3) Управление потоком данных (1 бит)

4) Подтверждение правильности приёма (1 бит)

5) Поле для определения последовательности пакетов (1 бит)

6) Контрольная сумма (8 бит)

Полезная информация:

1) Заголовок (8 бит)

2) Тело полезной информации (1-2721 бит)

3) CRC (16 бит)

Bluetooth 2.0: EDR (Extended Data Rate) - скорость до 3 МБит/с

Bluetooth 3.0 (принят в апреле 2009 г.)

Bluetooth 4.0 - ожидается возможность использования каналов 802.11


IrDA - передача данных по воздушно-оптическому каналу при помощи инфракрасных волн.

Преимущество - высокая скорость (4 МБит/с), цена.

Недостатки:

1) Расстояние (~1 м)

2) Необходимость прямой видимости

3) Соединение только точка-точка

Единственное применение - в случае соединения беспроводных соединений в условиях особо жёстких требований к безопасности.
HomeRF - сеть, не получившая широкого признания; стала основой для 802.15.3, а также UWB.

Задача UWB - обеспечение высокой скорости (до 500 Мбит/с) при передаче на малые расстояния (до 5 м, обычно порядка 1 м). Это достигается за счёт очень малой мощности и очень широкой полосы.

Частота - 3,1-10,6 ГГц. Мощность импульса 0,05 мВт. Способ модуляции OFDM (500 Мб/с), QPSK. Скорость падает обратно пропорционально расстоянию.
Zigbee - Zigzag+Bee - изначально разрабатывалась для складской логистики - на каждую единицу товара помещается датчик, способный сообщить записанную в него информацию о единице товара. Требование - низкая цена, предельно малое энергопотребление. Особенность - очень малая скорость передачи данных.

Защита - шифрование AES с 128-битным ключом. Время срабатывания 20 мс.


Название 802.15.4 802.15.4 802.15.4a/b

стандарта (Zigbee) (Bluetooth) (UWB)


Приложения Мониторинг, Голос, данные, Потоковое

складская замена кабеля мультимедиа,

логистика, замена аудио-

домашняя и видео-кабеля

промышленная

автоматика

Преимущества Цена, энерго- Цена, помехо- Высокая скорость

потребление, защищённость

размер сети

Частоты 868 МГц; 918 МГц; 2.4 ГГц 3,1-10,6 ГГц

2,4 ГГц

Максимальная 20/40/250 Кб/с 3 Мбит/с 1 м - 480 Мбит/с



скорость 10 м - 50 Мбит/с
Дальность 10-100 м 100 мВ - 100 м 10 м

1 мВ - 10 м

Срок службы 100-1000+ дней 1-7 дней -

батареи


Размер сети 2^16 - 2^64 master+7x slave 127/хост

Структурированные кабельные системы (СКС).


В современном здании движется достаточно много информационных потоков: компьютерная сеть, сеть охраны и пожарной сигнализации, сеть видеонаблюдения, телефонная сеть. В 80-х гг. XX в. в США появился подход к содержанию множества сетей, заключающийся в том, что кабельные сети - это часть здания, а не часть организации.

СКС - это иерархическая кабельная система в здании или группе зданий, разделённая на структурные подсистемы. СКС состоит из набора медных и оптических кабелей, кросс-панелей, соединительных шнуров, кабельных разъёмов, модульных розеток (информационных розеток, информационных портов), вспомогательного оборудования.

Принципы СКС:

1) Универсальность. Единая кабельная система используется для передачи разного рода информации.

2) Гибкость.

3) Устойчивость - 15-25 лет

4) Избыточность (если помещение рассчитано на 4 рабочих места, оборудуется 4 рабочих места, а не столько, сколько фактически есть сотрудников)

Кабельная сеть, созданная без соблюдения стандартов СКС хотя бы на одном её участке, называется уникальной кабельной системой.

СКС - долгосрочное вложение.
Структура СКС:

1) Горизонтальная подсистема

2) Магистральная подсистема

3) Подсистема рабочего места

4) Подсистема аппаратной (телекоммуникационного шкафа)
Элементы СКС:

1) Главный распределительный пункт

2) Магистральный кабель

3) Распределительный пункт здания

4) Распределительный пункт этажа

5) Горизонтальный кабель

6) Телекоммуникационный разъём
СКС представляет собой иерархию: главный распределительный пункт - здание - этаж - рабочее место. Допускается использование дополнительных кабелей между зданиями.

Для небольшого здания или группы зданий допускается объединять высшие уровни иерархии в одном помещении.

Этаж не обязательно представляет физический этаж. Физический этаж может быть разделён на несколько этажей СКС, либо несколько физических этажей объединены в один этаж СКС.
Горизонтальная подсистема - коммуникации между распределительным пунктом этажа и АРМ. Вертикальная подсистема - коммуникации между распределительным пунктом здания и распределительным пунктом этажа. От распределительной этажа до рабочего места должно быть не более 90 м.
Требования к распределительным пунктам:

1) Желательно, чтобы распределительные пункты этажей располалались друг над другом.

2) Не допускается, чтобы через распределительные пункты проходили какие-то другие магистрали (электропитание, водоснабжение, канализация).

3) Желательно, чтобы распределительные пункты располагались посередине здания

4) Нежелательно соседство с внешними стенами здания

5) При подключении шкафа должен оставляться запас кабеля, достаточный для перемещения шкафа в дальний угол

5% строительный запас - 10-метровый отрезок с 20см-запасом должен покрываться 10,7-метровым кабелем.
NEXT:

Тип воздействия Ухудшение NEXT

Кабель, изогнутый

1000 раз в пределах Без изменений

допустимого радиуса
Замена патчкорда 5

категории на патч- 8 дБ

корд 3 категории (0,6 м)
Замена патчкорда 5

категории (0,6 м) на

патчкорд 3 категории 13 дБ

(6 м)
Сворачивание кабеля

в бухту с длиной без измененний

витка 2 м


Крепление хомутами

с расстоянием между Без изменений

хомутами 1,2-1,5 м
Удаление 2,5 см 1,2 дБ

оболочки кабеля


То же, 30 см 2 дБ
Развитие пар:

1,2 см 1,5 дБ

15 см 12 дБ

Изломанный кабель 2,4 дБ


Телекоммуникационные шкафы должны заземляться.
Стандарты по СКС:

1) ANSI EIA-606

2) ISO 11801

3) EN 50173


RFID - Radio Frequency Identification - метод идентификации объекта, основанный на запросе или модификации данных, хранящихся на RFID-метках (транскодерах). Считыватели генерирует некоторый сигнал, а транскодер на его основе генерирует ответный. На ответный сигнал реагирует считыватель.

Классификации:

1) По рабочей частоте (низкочастотные - от 125 до 134 кГц, высокочастотные - 13,56 МГц, ультравысокочастотные - от 860 до 960 МГц, микроволновые метки - 2,45 ГГц. С повышением частоты увеличивается радиус действия и стоимость оборудования.

2) По источнику питания (пассивные - работают от энергии радиосигнала, посылаемого считывателем; полупассивные - аналогичны пассивным, но есть встроенный источник питания для увеличения радиуса действия; активные - с питанием от встроенного источника и, возможно, с дополнительным оборудованием: памятью, датчиками и т. д.)

3) По типу памяти (Read-only - метки, информацию с которых можно только считывать, информация - уникальный идентификатор записывается при производстве; WORM - с блоком памяти, в который что-то можно однократно записать; Read and Write - также со своим идентификатором, но блок памяти служит для многократной перезаписи.

RFID-метки уходят корнями во Вторую Мировую войну (система опознавания "свой-чужой").

Применение:

1) Логистика (основное) - идентификация и наблюдение

2) Промышленность

3) Медицина

RFID-метки встроены в современные паспорта.

Стандарты: ISO, EPC Global.

Основной на UHF - ISO 15963; EPC Global Gen2 (поддерживается более 100 авторитетными компаниями).
Gigabit Ethernet.

802.3ab - Gigabit Ethernet по UTP5.

Спутниковая связь - радиосвязь, основанная на использовании искусственных спутников Земли в качестве ретрансяторов.

Диапазоны:

L - 1.5 ГГц - подвижная спутниковая связь

S - 2.5 ГГц - подвижная спутниковая связь

C - 4 ГГц, 6 ГГц - фиксированная спутниковая связь

X - 8-12 ГГц - фиксированная связь для военных целей

Ku - 11, 12, 14 ГГц - фиксированная спутниковая связь, спутниковое вещание

K - 20 ГГц - фиксированная спутниковая связь, спутниковое вещание

Ka - 30 ГГц - фиксированная спутниковая и межспутниковая связь

Сигнал между спутником и наземной станцией передаётся в цифровом виде с импульсно-кодовой модуляцией.

VSAT - Very Small Aperture Terminal - терминал с очень маленькой апертурой - предоставляет услуги спутниковой связи на низкой скорости (до 2 Мбит/с) в Ku-диапазоне. Предоставление каналов по требованию.

Недостатки:

1) Слабая помехозащищённость

2) Влияние атмосферы

3) Ионосферные эффекты
CDMA - Code Division Multiple Access - множественный доступ с кодовым разделением.

Основа - использование расширения спектра прямой последовательностью (DSSS). Умножается на кодовую последовательность из 1 и -1. Функции Уорша.

CDMA ES-95 - Qualcomm, 800 МГц. Единственный доступный для применения на территории России.

PCS CDMA IS-95

CDMA PCS (1900 МГц)

CDMA2000 (ES2000) - не получил большого распространения. Является развитием стандарта ES-95 и полностью с ним совместим. Цель - повышение скорости передачи данных.


ES-95 - стандарт для сотовой мобильной связи с кодовым разделением каналов.