Siirtotiet (Siirtomedia)

Transkriptio

1 CT30A2002 Tietoliikennetekniikan perusteet Siirtotiet (Siirtomedia) 1

2 Yleistä siirtoteistä Käydään läpi fyysiset ominaisuudet, sovelluskohteet ja pääpiirteet siirron kannalta Siirtotiet, joilla tietoa siirretään eri järjestelmien välillä, voidaan jakaa kahteen kategoriaan: johtimellisessa (ohjatussa) siirtotiessä signaalit kulkevat fyysistä reittiä pitkin johtimettomalla (ohjaamattomalla) siirtotiellä tieto siirtyy langattomasti 2

3 Yleistä siirtoteistä Johtimellisia siirtoteitä Parikaapeli Koaksiaalikaapeli Valokuitu Sähköjohto Johtimettomia siirtoteitä Mikroaaltolinkit Satelliittilinkit Radiotie Infrapunalinkit 3

4 Yleistä siirtoteistä Sekä siirtotien että signaalin ominaisuudet vaikuttavat tiedonsiirron laatuun ja ominaisuuksiin Johtimellisessa siirrossa siirtotiellä on suurempi vaikutus Johtimettomassa signaalin kaistanleveys ja antennin ominaisuudet ovat siirtotien ominaisuuksia tärkeämpiä esim. antennin suuntaavuus 4

5 Design Factors Determining Data Rate and Distance bandwidth higher bandwidth gives higher data rate transmission impairments impairments, such as attenuation, limit the distance interference overlapping frequency bands can distort or wipe out a signal number of receivers more receivers introduces more attenuation

6 Electromagnetic Spectrum

7 Johtimelliset siirtotiet Johtimellisessa siirtotiessä tiedonsiirtonopeus tai laitteiden välinen etäisyys riippuu pitkälti käytettävissä olevasta kaistanleveydestä Johtimellisia siirtoteitä Parikaapeli (twisted pair) - esim. puhelinkaapeli Koaksiaalikaapeli (coaxial cable) - TV kaapeli Optinen kuitu (optical fiber) Sähköjohto Tilaajaliitäntä sähköverkon välityksellä 7

8 Johtimelliset siirtotiet Käytetään lyhyistä tilaajaliitännöistä ja lähiverkoista aina pitkiin runkoyhteyksiin asti Siirtoteillä voidaan välittää sekä digitaalisia että analogisia signaaleita Siirtotien pituuden kasvattamiseksi suuremmilla etäisyyksillä signaalia pitää parantaa (vahvistaa/ tahdistaa) Analogisilla signaaleilla käytetään vahvistimia Digitaalisilla signaaleilla toistimia 8

9 Transmission Characteristics of Guided Media Frequency Range Typical Attenuation Typical Delay Repeater Spacing Twisted pair (with loading) 0 to 3.5 khz khz 50 µs/km 2 km Twisted pairs (multi-pair cables) 0 to 1 MHz khz Coaxial cable 0 to 500 MHz 7 10 MHz 5 µs/km 2 km 4 µs/km 1 to 9 km Optical fiber 186 to 370 THz 0.2 to 0.5 db/ km 5 µs/km 40 km

10 Parikaapeli (twisted pair) Halvin ja eniten käytetty johtimellinen siirtotie Koostuu toistensa ympärille kiedotuista kahdesta kuparijohtimesta Kierrolla häiriöitä pienentävä vaikutus Johdinpari muodostaa aina yhden kommunikointilinkin Useita johdinpareja voidaan yhdistää suuremmaksi kaapeliksi 10

11 Parikaapeli Käytetään yleisesti niin puhelin- kuin dataverkoissa Puhelinverkoissa parikaapelia käytetään tilaajajohtimena (analoginen signaali) Dataverkoissa (digitaalinen signaali) parikaapelilla päästään jopa Gbps nopeuteen, joskin hyvin rajoitetulla etäisyydellä ja rajoitetulla määrällä laitteita Mitä suurempi tiedonsiirtonopeus sitä lyhyempi etäisyys (mitä suurempi taajuus, sitä suurempi signaalin vaimeneminen) 11

12 Parikaapeli Erilaiset häiriötekijät vaikeuttavat parikaapelin käyttöä (esim. sähkömagneettiset häiriöt) Häiriösietoisuutta voidaan parantaa päällystämällä kaapeli suojaavalla foliolla tai metallipunoksella Johtimien kiertäminen vähentää matalan taajuuden häiriöitä Eri mittaisten kierteiden käyttö pienentää taas ylikuulumista (vierekkäisien parien) 12

13 13

14 Parikaapeli Parikaapelista kaksi yleistä tyyppiä: suojattu (STP) suojaamaton (UTP) Lisäksi olemassa foliosuojattu (FTP) Puhelinkaapelina käytetään suojaamatonta Suojattu kestää paremmin ulkoiset häiriöt ja sitä suositaan dataverkoissa in a variety of categories - see EIA

15 Parikaapeli Parikaapeli voidaan jakaa ominaisuuksiensa mukaan kategorioihin: Kategoria 1: Ei suorituskykyvaatimuksia Kategoria 2: < 1Mbps Kategoria 3: < 16 MHz, <16 Mbps Kategoria 4: < 20 MHz Kategoria 5: < 100 MHz, <100 Mbps Kategoria 6: < 200 MHz (1 Gbps) Kategoria 7: < 500 Mhz Eroja esim. kierteiden pituus 0,6-0,85 cm (CAT5) vs. 7,5-10 cm (CAT3) 15

16 Twisted Pair Categories and Classes

17 Near End Crosstalk coupling of signal from one pair of conductors to another occurs when transmit signal entering the link couples back to the receiving pair - (near transmitted signal is picked up by near receiving pair)

18 Signal Power Relationships

19 19

20 20

21 Koaksiaalikaapeli Kaksi johdinta sisäkkäin Parempi häiriönsieto jo luontaisesti Käytetään esim.: TV-jakeluverkoissa Puhelinverkkojen runkoverkoissa (korvattu nykyisin kokonaan kuidulla) Lähiverkoissa (nykyisin hyvin olematonta) Väylätyyppisiä 21

22 Koaksiaalikaapeli Koaksiaalikaapelilla voidaan välittää sekä analogisia että digitaalisia signaaleita Analogiselle signaalille vahvistimet muutaman kilometrin välein, digitaaliselle toistimet noin kilometrin välein Koaksiaalikaapelissa voidaan käyttää parikaapelia korkeampia taajuuksia (suuremmat tiedonsiirtonopeudet) Suurimmat häiriötekijät: vaimennus, lämpökohina, keskeismodulaatiokohina (FDMA) 22

23 23

24 Optinen kuitu Optinen kuitu on µm paksuista valoa läpäisevää materiaalia Kuitu koostuu ytimestä, heijastuskerroksesta ja kuoresta Ytimessä (core) siirretään valoaallot (yleensä aina digitaalinen signaali) Heijastuskerroksen (cladding) tarkoituksena on pitää valo ytimessä Kuori (jacket) suojaa kuitua kosteudelta ja vaurioilta 24

25 Optinen kuitu 25

26 Fiber Optics (a) Three examples of a light ray from inside a silica fiber impinging on the air/silica boundary at different angles. (b) Light trapped by total internal reflection. 26

27 Fiber Cables (a) Side view of a single fiber. (b) End view of a sheath with three fibers. 27

28 Optical Fiber - Benefits greater capacity data rates of hundreds of Gbps smaller size and lighter weight considerably thinner than coaxial or twisted pair cable reduces structural support requirements lower attenuation electromagnetic isolation not vulnerable to interference, impulse noise, or crosstalk high degree of security from eavesdropping greater repeater spacing lower cost and fewer sources of error

29 Optical Fiber - Transmission Characteristics uses total internal reflection to transmit light effectively acts as wave guide for to Hz (this covers portions of infrared & visible spectra) light sources used: Light Emitting Diode (LED) cheaper, operates over a greater temperature range, lasts longer Injection Laser Diode (ILD) more efficient, has greater data rates has a relationship among wavelength, type of transmission and achievable data rate

30 30

31 Transmission of Light through Fiber Attenuation of light through fiber in the infrared region. 31

32 Kuitujen käyttökohteita: Optinen kuitu Runkoverkot kuidut ovat parhaimmillaan suurta kapasiteettia vaativiin olosuhteisiin Kaupunkiverkot myös lyhyemmillä matkoilla voidaan kuituja käyttää yhdistämään keskuksia Lähiverkot useat uudet teknologiat perustuvat kuitujen käytölle Tilaajajohdot johtaa todelliseen kotimultimedian mahdollisuuteen 32

33 Optinen kuitu Optiset kuidut toimivat THz alueella (infrapuna ja näkyvä valo) Kuitujen toiminta perustuu valon kokonaisheijastukseen Kuidut voidaan jakaa monimuoto- ja yksimuotokuituihin Monimuotokuituja on askeltaitekertoimisia ja asteittaistaitekertoimisia 33

34 Optinen kuitu 34

35 Optinen kuitu Monimuotokuidut kärsivät signaalipulssin levenemisestä eli dispersiosta johtuen useista säteiden etenemisreiteistä käyttö lyhyillä matkoilla, liitosjohdoissa Askeltaitekertoimiselle muotodispersio on pahin Yksimuotokuidulla tätä dispersion tyyppiä ei esiinny (jonkin verran materiaalidispersiota) käyttö runkojohtimissa 35

36 Optinen kuitu Kuiduissa valo voidaan tuottaa valodiodilla (light emitting diode, LED) laserilla (Injection laser diode, ILD) LED on halvempi, mutta toimii paremmin erilaisissa lämpötiloissa, ja käyttöikä on pidempi Laser on tehokkaampi ja mahdollistaa suuremmat datanopeudet paremman signaalin ansiosta 36

37 Fiber Cables (2) A comparison of semiconductor diodes and LEDs as light sources. 37

38 Frequency Utilization for Fiber Applications 38

39 39

40 Sähköjohto Data siirretään sähkön kanssa samassa verkossa pistokemodeemilla erotellaan data sähkövirrasta Edut olemassa oleva verkkorakenne Haitat: sähköverkossa on paljon kohinaa ja heijastuksia ja etenkin sähkövirtapiikkejä, jotka häiritsevät datasignaalia Käyttö lähinnä tilaajaliityntänä 40