Digitaalinen tiedonsiirto ja siirtotiet. OSI-kerrokset

Samankaltaiset tiedostot
Digitaalinen tiedonsiirto ja siirtotiet

Suodatus ja näytteistys, kertaus

ELEC-C7230 Tietoliikenteen siirtomenetelmät. Yleistä

ELEC-C7230 Tietoliikenteen siirtomenetelmät

ELEC-C7230 Tietoliikenteen siirtomenetelmät

Luento 5: Kantataajuusvastaanotin AWGNkanavassa I: Suodatus ja näytteistys a. Kuvaa diskreetin ajan signaaliavaruussymbolit jatkuvaan aikaan

A! Modulaatioiden luokittelu. Luento 4: Digitaaliset modulaatiokonstellaatiot, symbolijonolähetteet. ELEC-C7230 Tietoliikenteen siirtomenetelmät

Ohjelmistoradio tehtävät 4. P1: Ekvalisointi ja demodulaatio. OFDM-symbolien generoiminen

Digitaalitekniikan matematiikka Luku 1 Sivu 1 (19) Johdatus digitaalitekniikkaan

Tehtävä 2: Tietoliikenneprotokolla

ELEC-C5070 Elektroniikkapaja (5 op)

INFORMAATIOTEORIA & KOODAUS TÄRKEIMPIEN ASIOIDEN KERTAUS A Tietoliikennetekniikka II Osa 28 Kari Kärkkäinen Syksy 2015

1 Määrittele seuraavat langattoman tiedonsiirron käsitteet.

Successive approximation AD-muunnin

SIGNAALITEORIAN JATKOKURSSI 2003

Reititys. Reititystaulukko. Virtuaalipiirin muunnostaulukko. Datasähkeverkko. virtuaalipiiriverkko. Eri verkkotekniikoita

Muuntavat analogisen signaalin digitaaliseksi Vertaa sisääntulevaa signaalia referenssijännitteeseen Sarja- tai rinnakkaismuotoinen Tyypilliset

Tilanne sekä MS-A0003/4* Matriisilaskenta 5 op

T Verkkomedian perusteet. Tietoliikennekäsitteitä Tiedonsiirron perusteet

S Tietoliikennetekniikan perusteet. Jukka Manner Teknillinen korkeakoulu

Kurssin perustiedot. ELEC-C7110 Informaatioteknologian perusteet. Tämän viikon aiheet. Tiedonsiirron perusteita. Tiedonsiirron rakenneosat

JATKUVAN AWGN-KANAVAN KAPASITEETTI SHANNON-HARTLEY -LAKI

5. Siirtoyhteyskerros linkkikerros (Data Link Layer)

Radioamatöörikurssi 2017

5. Siirtoyhteyskerros linkkikerros (Data Link Layer)

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

Signaalien datamuunnokset

Radioamatöörikurssi 2018

Sanoman siirto paketteina: ei etenemisviivettä, ei jonotuksia

Kuva maailmasta Pakettiverkot (Luento 1)

Ongelma 1: Onko datassa tai informaatiossa päällekkäisyyttä?

MONIKANAVAISET OHJELMOITAVAT VAHVISTIMET

Signaalien datamuunnokset. Digitaalitekniikan edut

» multiaccess channel» random access channel LAN (Ethernet) langaton. ongelma: käyttövuoron jakelu Yhteiskäyttöisen kanavan käyttö

4. MAC-alikerros. yleislähetys (broadcast) ongelma: käyttövuoron jakelu. » multiaccess channel» random access channel LAN (Ethernet) langaton

Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

Ongelma(t): Miten digitaalista tietoa voidaan toisintaa ja visualisoida? Miten monimutkaista tietoa voidaan toisintaa ja visualisoida?

Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

Flash AD-muunnin. Ominaisuudet. +nopea -> voidaan käyttää korkeataajuuksisen signaalin muuntamiseen (GHz) +yksinkertainen

Digitaalitekniikan matematiikka Luku 13 Sivu 1 (10) Virheen havaitseminen ja korjaus

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA OSA 2

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät Välikoe

puheen laatu kärsii koodauksesta mahdollisimman vähän. puhe pakkautuu mahdollisimman pieneen määrään bittejä.

Tiedonkeruu ja analysointi

MONITILAISET TIEDONSIIRTOMENETELMÄT TÄRKEIMPIEN ASIOIDEN KERTAUS A Tietoliikennetekniikka II Osa 18 Kari Kärkkäinen Syksy 2015

Tiedonsiirron perusteet ja fyysinen kerros. Tietoliikenne kohtaa todellisuuden OSI-mallin alimmainen kerros Kirja sivut 43-93

Tiedonkeruu ja analysointi

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

Mitä on konvoluutio? Tutustu kuvankäsittelyyn

Tekniikka ja liikenne (5) Tietoliikennetekniikan laboratorio

Ongelma(t): Mikä on Turingin kone? Miten Turingin kone liittyy funktioihin ja algoritmeihin? Miten Turingin kone liittyy tietokoneisiin?

Laskuharjoitus 5. Mitkä ovat kuvan 1 kanavien kapasiteetit? Kuva 1: Kaksi kanavaa. p/(1 p) ) bittiä lähetystä kohti. Voidaan

Alla olevassa kuvassa on millisekunnin verran äänitaajuisen signaalin aaltomuotoa. Pystyakselilla on jännite voltteina.

Tietoliikenteen fyysinen kerros. Tietoliikenne kohtaa todellisuuden Kirja sivut 43-93

Radiokurssi. Modulaatiot, arkkitehtuurit, modulaattorit, ilmaisimet ja muut

Kohina. Havaittujen fotonien statistinen virhe on kääntäen verrannollinen havaittujen fotonien lukumäärän N neliö juureen ( T 1/ N)

Mittaustekniikka (3 op)

Mitä tahansa voi saavuttaa kunhan vain yrittää!

Algoritmit 1. Luento 1 Ti Timo Männikkö

Kohina (Noise) 1.4. Tietoliikenneohjelmistot eli protokollat. Signaalin vahvistaminen

IIR-suodattimissa ongelmat korostuvat, koska takaisinkytkennästä seuraa virheiden kertautuminen ja joissakin tapauksissa myös vahvistuminen.

Kohina (Noise) Signaalia häiritsee kohina. aina taustalla esiintyvää sähkömagneettista aaltoliikettä terminen kohina. elektronien liikkeestä johtuva,

SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU

Tietoliikenne II (2 ov)

LABORATORIOTYÖ 2 A/D-MUUNNOS

Signaalien datamuunnokset. Näytteenotto ja pito -piirit

Tiedonsiirron perusteet ja fyysinen kerros. Tietoliikenne kohtaa todellisuuden OSI-mallin alimmainen kerros "Miten siirretään yksi bitti"

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 3: Jatkuvuus

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

S Tietoliikennetekniikan perusteet. Luento Informaatioteorian alkeita Tiedonsiirron perusteet

Radioamatöörikurssi 2016

OSI malli. S Tietoliikenneverkot S Luento 2: L1, L2 ja L3 toiminteet

Tietoliikenne II (2 ov)

Kanavat eivät ole enää pelkästään broadcasting käytössä Uudet palvelut kuten teräväpiirtolähetykset vaativat enemmän kapasiteettia

Parametristen mallien identifiointiprosessi

Virheen kasautumislaki

Dynaamisten systeemien teoriaa. Systeemianalyysilaboratorio II

Kanavointi ja PCM järjestelmä

TIEA241 Automaatit ja kieliopit, syksy Antti-Juhani Kaijanaho. 16. marraskuuta 2015

Jos sinulla on kysyttävää 10. Vastaanotin toimi.

LABORATORIOTYÖ 2 A/D-MUUNNOS

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

2. kierros. 1. Lähipäivä

2.4 GHz Langaton Baby Guard. Käyttöohje. Tärkeät turvallisuustiedot ennen käyttöönottoa 1. Lue käyttöohjeet huolellisesti ennen käyttöönottoa.

TL5503 DSK, laboraatiot (1.5 op) Suodatus 1 (ver 1.0) Jyrki Laitinen

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

Käytännön radiotekniikkaa: Epälineaarinen komponentti ja signaalien siirtely taajuusalueessa (+ laboratoriotyön 2 esittely)

Data ja informaatio. Tiedonsiirron perusteet ja fyysinen kerros. Ohjattu media. Tiedonsiirto. Ohjaamaton media

Lisää pysähtymisaiheisia ongelmia

1 db Compression point

Tiedonsiirron perusteet. Jouko Kurki T Johdatus tietoliikenteeseen kevät 2010

Laskuharjoitus 4 ( ): Tehtävien vastauksia

Jaetun muistin muuntaminen viestin välitykseksi. 15. lokakuuta 2007

Algebralliset menetelmät virheenkorjauskoodin tunnistamisessa

LANGATTOMAT VERROSOVELLUKSET RAPORTTI

SISÄLLYS - DIGITAALITEKNIIKKA

Tiedonsiirron perusteet

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

K. Kilkki (2015) Informaatioteknologian perusteet 60

Pysähtymisongelman ratkeavuus [Sipser luku 4.2]

Transkriptio:

A! Aalto University Comnet ELEC-C7230 Tietoliikenteen siirtomenetelmät, Luento 1 Digitaalinen tiedonsiirto ja siirtotiet Olav Tirkkonen [Luku 1: Introduction, kokonaisuudessaan] A! OSI-kerrokset Tiedonsiirtojärjestelmiä voi ymmärtää kerroksien avulla Toiminnallisuuksien selkeys, monimutkaisuuden hallinta Open System Interconnection (OSI) referenssimalli Alimmat kerrokset: 1. Fysikaalinen kerros Bittien lähettäminen lähettäjältä vastaanottajalle 2. Data-linkkikerros Lähettettyjen informaatiokehysten luotettavuus esim. käyttämällä uudelleenlähetyksiä Varmistaa, että eri lähettäjien lähetykset eivät häiritse toisiaan Medium Access Control (MAC) Sovittaa lähetysnopeuden siirtotielle sopivaksi (linkkiadaptaatio) Tiedonsiirtonopeuden säätö, tehonsäätö, jne. 3. Verkkokerros Reititys Tässä kurssissa keskitymme fysikaaliseen kerrokseen [H-M, Section 1.2, p. 3] 2

A! Signaalit Signaali on ajan funktio Jatkuva-aikainen (funktio) tai diskreettiaikainen (näyte- tai symboli jono) Digitaalinen tai analoginen [1.2; 2.2] 3 A! Digitaalinen signaali Signaalin arvojen joukko on äärellinen M-arvoinen (M-ary) signaali Jos mahdollisia arvoja on 2, signaali on binäärinen Nämä ovat bittejä Mikä on M Morse-koodille? Onko Morse koodi jatkuvaaikainen vai diskreettiaikainen signaali? 4

A! Morse I Lähde on digitaalinen ja diskreettiaikainen kirjoitettu kieli, M=28 suomen kielessä, M=26 englannissa Jokainen kirjain on diskreetti symboli Morsekoodin kaksi digitaalista tulkintaa: M=4: piste, viiva, kirjainväli, sanaväli M=2: 0/1 (tätä käytetään, kun morsetetaan) Piste 1; viiva 11 Merkkiväli: 0; kirjainväli: 00; sanaväli: 000 5 A! Morse II 1. Diskreetti digitaalinen M=28 signaali M=4 Morse-signaali Lähdekoodaus, vrt informaatioteoria 2. M=4 Morse-signaali Diskreetti binäärinen signaali jatkuvaaikainen binäärinen signaali On päätetty, millaisina symboleina 1 ja 0 esitetään lähettimessä. Esim. on-off. Tämä on johtokoodausta 3. Siirtotie on analoginen ja morsettajan käsi epätäydellinen kyseessä jatkuvan digitaalisen signaalin analoginen approksimaatio lähettimessä on tehty Digitaalisesta-Analogiseksi (D/A) muunnos 4. Vastaanottimessa tehdään näytteistys ja A/D muutos tulkitaan diskreettiaikaiset lähetetyt symbolit Minä hetkinä lähetin oli päällä/milloin pois päältä 5. Vastaanottimessa tehdään johtodekoodaus Muunnetaan tulkitut on/off symbolit biteiksi (triviaali operaatio tässä tapauksessa) ja sitten symboleiksi 6. Vastaanottimessa dekoodataan lähdekoodi 6

A! Siirtotiet, lähettimen ja vastaanottimen lohkot [1.1] 7 A! Siirtotiet Fysikaaliset siirtotiet: Pituusskaaloissa > 10^-10 m kaikki fysikaaliset siirtotiet ovat olennaisesti jatkuva-aikaisia/paikkaisia ja analogisia Jotkut siirtotiet on valmistettu mallintamaan diskreettiä digitaalista ainetta: Optiset mediat (DVD/CD) Tietokoneiden muistikomponentit Useimmat siirtotiet ovat perustavalla tasolla jatkuvia ja analogisia: Sähköiset signaalit kaapeleissa Sähkömagneettinen säteily Digitaalisessa tiedonsiirrossa informaatiota käsitellään diskreettiaikaisena digitaalisessa muodossa Kun jatkuvan ja analogisen siirtotien yli siirretään digitaalisesti tietoa se pitää D/A-muuntaa 8

A! Signaalin vaimeneminen Siirtotie vaimentaa signaalin tehoa leviäminen avaruuteen: potenssilaki. Tyhjässä 3D avaruudessa: P Rx ~1/r 2 vaimeneminen väliaineessa eksponentiaalinen vaimeneminen P Rx ~e -r Tärkeimpien siirtoteiden vaimennukset Langaton (radio): P Rx ~1/r a, path-loss exponentti a noin2-4 Optinen kuitu: 0.2 db/km (eksponentiaalinen vaimennus) Puhelinkaapeli 12-18 db/km (eksponentiaalinen) Koaksiaalikaapeli 25 db/km (eksponentiaalinen) 9 A! Häiriöt Kohina Terminen kohina, spektritehokkuus N 0 = N T N F [W/Hz = J] Vastaanotetun kohinan teho N = N 0 B 0 N T johtuu lämpöliikkeestä 20 C:ssä N T ~ 4*10-21 [W/Hz] = -174 [dbm/hz] dbm = desibeliä suhteessa milliwattiin N F kuvaa vastaanottimen raudan laatua ~1-10 db B 0 on kohinan kaistanleveys, ~ signaalin kaistanleveys Tästä ei päästä millään eroon Interferenssi Järjestelmän sisältä ja muista järjestelmistä aiheutuvat häiriöt Näihin voidaan vaikuttaa järjestelmien suunnittelulla Esim. sähkömagneettiset kytkennät, impulssit, kanavien ja siirtoteiden vuotaminen 10

A! Tx- & Rx-lohkot ja kanavat Tiedonsiirtotoiminnallisuus toteutataan lähetin (Tx)-lohkolla ja vastaavalla vastaanotin (Rx)- lohkolla Rx-lohkon toiminta on Tx-lohkolle käänteinen Tx- & Rx-lohkojen välillä on abstrakti siirtotie (kanava) Kanava on suodatin, joka saattaa vaimentaa ja/tai vääristää kanavalla on vaste listätä häiriöitä 11 A! Lähetin-vastaanottimen toiminnalliset lohkot Kurssin aikana pyritään ymmärtämään Lohkojen toiminta Sisäänmenot ja ulostulot, sekä niiden väliset kanavat FEC: virheenkorjauskoodaus 12

A! Tiedonsiirtokanava Abstrakti kanava = siirtotie + rajoittavia ominaisuuksia [s. 753]. Jatkuva-aikainen / diskreettiaikainen Sisäänmeno (input): digitaalinen (binäärinen, M-arvoinen) - analoginen ulottuvuus: reaaliarvoinen, kompleksinen, moniulotteinen Ulosmeno (output): digitaalinen-analoginen; ulottuvuus Vääristymän ja häiriön laatu Muisti (aikadispersio) Esimerkkejä: Binäärinen muistiton kanava Sisään- ja ulosmenot ovat bittejä, virheet ovat bit-flippejä tietyllä todennäköisyydellä Binäärinen erasure-kanava Sama kuin edellä, paitsi jotkut bitit vain katoavat AWGN-kanava Analoginen sisään- ja ulosmeno, kanava lisää valkoista kohinaa Häipyvä kanava Kanavan vaste vaihtelee ajassa tai taajuudessa 13 A! A/D-muunnos = Näytteistys + kvantisointi [1.2.3; 1.2.4] 14

A! Näytteistys Ensimmäinen askel A/D muunnoksessa Tulos on jono jatkuva-aikaisen signaalin näytteitä Näytteet ovat analogisia Näytteiden optimimäärää rajoittaa Nyqvistin lause, jos signaali on kaistarajoitteinen Tähän palataan myöhemmin 15 A! Kvantisointi ja lähdekoodaus Kvantisointi Muuntaa analogisen sisäänmenon digitaaliseksi Lähdekoodaus (kompressointi) Poistaa tarpeettoman resdundanssin lähdesignaalista Hallitsematonta luonnollista redundanssia on vaikea käytää hallittuun virheenkorjaukseen 16

A! Kvantisointi I 17 A! Kvantisointi II Näytteistys: Jatkuva-aikainen analoginen Kvantisointi: Diskreettiaikainen analoginen diskreettiaikainen analoginen diskreettiaikainen digitaalinen 18

A! Kvantisointi III [6.2.2][H-M, Section 4.4.4, pp. 188-189] 19 A! Lähdekoodaus, kvantisointi, kompressointi Applikaatiokerroksen toiminto A/D-muuntaa ja poistaa lähteen redundanssin Enkooderin sisäänmeno: Diskreetti/jatkuva digitaalinen/analoginen signaali esim Tämä on lause Dekooderin ulostulo: information bittejä, joista redundanssi poistettu esim. binäärinen esitys lauseesta Tm n luse Suorituskyky Analoginen lähde: information bittinopeus vs. vääristymä Digitaalinen lähde: kuinka lähellä ulostuloentropia on lähteen entropiaa Shannonin lähdekoodauslause Kanava: Binäärinen muistiton tai Erasure-kanava Enkooderi + dekooderi = (lähde) codec 20

A! Digitaalinen tiedonsiirto, Shannonin lause 21 A! Digitaalinen tiedonsiirto Tieto prosessoidaan lähettimessä ja vastaanottimessa diskreettiaikaisena digitaalisena signaalina Siirtotielle tieto syötetään D/A-muunnettuna analogisena jatkuva-aikaisena signaalina aaltomuoto Digitaalisessa tiedonsiirrossa mahdollisesti lähetettävien aaltomuotojen joukko on äärellinen Yksinkertaisissa tapauksissa lähetetty signaali on digitaalinen Äärellinen joukko arvoja Keskitymme tähän suurimman osan kurssista 22

A! Digitaalisuuden edut I Häiriöt on helpompi poistaa, kun tiedetään, että lähetetty signaali on yksi äärellisestä joukosta Lähetetty signaali Vastaanotettu vääristynyt signaali ilman kohinaa Vastaanotettu kohinainen signaali Vastaanottimessa tulkittu signaali [1.2.1] 23 A! Kanavakapasiteetti Kun lähdeinformaatiosta on poistettu redundanssi, informaatio halutaan lähettää luotettavasti kanavan yli. Kanavan kapasiteetti antaa ylärajan sille, miten paljon informaatiota kanavan yli voi lähettää Shannonin kanavakoodauslause osoittaa, että tämä yläraja on saavutettavissa Lähetetty viesti voidaan vastaanottaa virheettömästi, kunhan tiedonsiirtonopeus on alle kapasiteetin Informaatioteoria antaa luonnonlait, jotka rajoittavat tiedonsiirtoa: Kapasiteetti on kohinaisen kanavan yli tapahtuvan tiedonsiirtonopeuden perustavanlaatuinen yläraja 24

A! AWGN-kanavan kapasiteetti [s. 766][Östergård: ELEC C-7220 s. 255] 25 A! Koodaus ja diskreettiaikainen modulaatio Bitit kuvataan symboleille, jotka D/A muunnetaan siirtotielle Sisäänmeno: informaatiobittejä Ulostulo: Estimoituja informaatiobittejä Suorituskyky Tiedonsiirtonopeus [bittiä/kanavankäyttökerta] Bitti- tai lohkovirhetodennäköisyys Yläraja: kanavakapasiteetti Kanava (M-arvoisen inputin) AWGN-kanava tai häipyvä / muistillinen kanava 26

A! Kapasiteetti, huomioita Kanavakapasiteettiin pääsevä lähetysmenetelmä: Inputti on analoginen Gaussinen signaali (ristiriita!) Äärettömän pitkä satunnainen FEC oletettu Tässä on selvästikin kyse tiedonsiirtonopeuden ylärajasta Palaamme kurssin lopussa siihen, miten kanavakapasiteetti suhtautuu todellisilla lähetysmenetelmillä saavutettavaan tiedonsiirtonopeuteen 27 A! Digitaalisuuden edut II Vääristämättömät regeneroivat toistimet mahdollistavat virheettömien toistimien ketjuttamisen. Vaihtoehto 1: Lähetä informaatio suoraan Kaliforniasta Otaniemeen Vaihtoehto 2: Pilko siirtotie palasiksi Käytä (lähes) kapasiteettiin pääsevää digitaalista lähetysmenetelmää kullakin siirtotien palasella Regenroi signaali virheettömästi toistimissa ja lähetä edelleen Vaihtoehto 2 on paljon tehokkaampi [1.2.2] 28

A! Digitaalisuuden edut III Jatkuva-aikaisten signaaleiden matematiikka: Differentiaali- ja integraalilaskenta Integraalimuunokset Funktionaalianalyysi Diskreettiaikaisten signaalien matematiikka: Lineaarialgebra Integroimisen sijaan lasketaan yhteen Matriisikuvaus on tehokasta paitsi ymmärryksen, myös laskennan kannalta Digitaalinen signaalinkäsittely on erittäin tehokas työkalu 29