ΗΜΥ 007 – Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη 12 ΗΜΥ 007 – Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη 12 Καλωδιακή Μετάδοση Πληροφορίας TΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ

Περίληψη Θέματα για σήμερα: Είδη καλωδίων και εφαρμογές Εφαρμογή DSL Καλώδια συνεστραμένων ζευγών Ομοαξονικά καλώδια Καλώδια Οπτικών ινών Εφαρμογή DSL

Υλικό Αναφοράς Cyganski, D., Orr, A. O., and Vaz, R. F., Information Technology Inside and Outside, Prentice Hall, 2001, Κεφ. 15, σελίδες 217-225 Οπτικές Ίνες (Fiber Optics) - Καλώδια Οπτικών Ινών http://egnatia.ee.auth.gr/~aalexioy/fiber_op.htm How DSL Works http://computer.howstuffworks.com/dsl.htm More Than 200 Million Customers Chose DSL http://www.broadband-forum.org/news/download/pressreleeases/prbbwfasia060507.pdf DSL Dominates Global Broadband Subscriber Growth http://www.broadband-forum.org/news/download/pressreleeases/YE06_Release.pdf

Εύρος ζώνης και Χωρητικότητα Το εύρος ζώνης (bandwidth) του καναλιού ορίζεται ως η διαφορά ανάμεσα στη μέγιστη και στην ελάχιστη συχνότητα, στην οποία η γραμμή μπορεί να μεταδώσει πληροφορίες (σε μονάδες Hz) Κάθε σύστημα έχει ένα πεπερασμένο εύρος ζώνης (finite bandwidth) Η χωρητικότητα (capacity) ενός μέσου μετάδοσης αποτελεί ένα μέτρο της δυνατότητας μεταφοράς δεδομένων από μια γραμμή επικοινωνίας, και ορίζεται ως ο μέγιστος ρυθμός μεταφοράς δεδομένων που υποστηρίζεται από το κανάλι, χωρίς η μετάδοση να χαρακτηρίζεται από την εμφάνιση σφαλμάτων. (Μετριέται σε μονάδες bits ανά δευτερόλεπτο ή bps – bits per sec.) Η χωρητικότητα ενός μέσου μετάδοσης συσχετίζεται με το εύρος ζώνης (αλλά και με πόσο θόρυβο έχει το κανάλι μετάδοσης) ένα μέσο μετάδοσης με μεγάλο εύρος ζώνης έχει αντίστοιχα και μεγάλη χωρητικότητα.

Περιορισμός εύρους ζώνης Σε κάθε εφαρμογή υπάρχει πεπερασμένο εύρος ζώνης Τα διάφορα σήματα εκπέμπονται από κατάλληλες πηγές (sources), και χαρακτηρίζονται από συγκεκριμένες τιμές συχνοτήτων Για οικονομικούς λόγους, τα μέσα μετάδοσης είναι σχεδιασμένα να επιτρέπουν τη μετάδοση μόνο εκείνων των σημάτων των οποίων οι συχνότητες ανήκουν σε μια συγκεκριμένη περιοχή ή ζώνη συχνοτήτων. π.χ. στο τηλεφωνικό δίκτυο που ως μέσο μετάδοσης χρησιμοποιεί συνεστραμμένα καλώδια επιτρέπεται η μετάδοση μόνο εκείνων των σημάτων των οποίων η συχνότητα βρίσκεται στο διάστημα 300 Hz έως 3400 Hz. Επομένως το εύρος ζώνης αυτού του μέσου μετάδοσης είναι 3400 Hz – 300 Hz = 3100 Hz = 3.1 KHz

Σήματα και μέσα μετάδοσης Μετάδοση σήματος με ηλεκτρομαγνητικά κύματα στον αέρα (a) Ραδιόφωνο, TV, κινητή τηλεφωνία ηλεκτρικό ρεύμα ή τάση σε ομοαξονικό καλώδιο (b) Δίκτυα Η/Υ όπως Ethernet, cable TV, τηλεφωνική γραμμή σπιτιού παλμούς φωτός σε οπτικές ίνες (c) Μακριές γραμμές τηλεφώνου Και στις 3 περιπτώσεις αυτό που μεταφέρεται είναι το ίδιο: ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο!

Καλωδιακή επικοινωνία Αποτελεί τον πιο κοινό τρόπο σύνδεσης Το κανάλι επικοινωνίας είναι ένα φυσικό υλικό μέσο, το οποίο είναι καλός αγωγός του μεταδιδόμενου σήματος Καλώδια για μετάδοση ηλεκτρικού ρεύματος Οπτικές ίνες για μετάδοση παλμών φωτός

Καλωδιακά μέσα μετάδοσης • Καλώδια συνεστραμένων ζευγών (twisted wires) Είναι τα γνωστά χάλκινα σύρματα των τηλεφωνικών γραμμών Αποτελούνται από τέσσερις ή περισσότερους χάλκινους αγωγούς συστρεμμένους σε ζεύγη (ένα για τη γείωση κι ένα για τη μεταφορά του σήματος) Συνήθως, με το ένα ζεύγος γίνεται η αποστολή και με το άλλο η λήψη Ταχύτητες μετάδοσης 300 bits / sec – 10 Mbits / sec • Ομοαξονικά καλώδια (coaxial cables) Οι (δύο) αγωγοί είναι τοποθετημένοι ό ένας μέσα στον άλλο και χωρίζονται μεταξύ τους από μονωτικό υλικό Μεγαλύτερες ταχύτητες μετάδοσης (56 kbits /sec - 200 Mbits /sec) • Καλώδια οπτικών ινών (fiber-optic cables) εύκαμπτες ίνες (νήματα-καλώδια) από πλαστική ύλη ή γυαλί, μέσω των οποίων διέρχονται ακτίνες φωτός ή laser Αποτελεί το ταχύτερο (500 Kbits /sec – 10 Gbits /sec), ασφαλέστερο αλλά και το πιο δαπανηρό μέσο μετάδοσης

Είδη καλωδίων Παράλληλα Καλώδια - Συσκευή τηλεφώνου Καλώδια Συνεστραμένων Ζευγών - DSL Ομοαξονικά Καλώδια -CATV

Χαρακτηριστικά καλωδίων Τα ζευγάρια αγωγών σε ένα καλώδιο συμπεριφέρονται σαν καθρέπτες, έτσι ώστε το ηλεκτρομαγνητικό κύμα αντανακλάται συνεχώς από τον έναν αγωγό στον άλλο μέχρι να φτάσει στον προορισμό του. Τα ηλεκτρόνια μέσα στα καλώδια συμπεριφέρονται σαν κυματοδηγοί. Η αλληλεπίδραση ηλεκτρονίων και κύματος προκαλεί τριβή και απώλεια ενέργειας και συμβάλει στην εξασθένηση του σήματος. Όσο πιο μακρύ είναι το καλώδιο τόσο πιο μεγάλη είναι η εξασθένιση του σήματος. Όσο πιο μεγάλη η διάμετρος του καλωδίου τόσο πιο μικρή η εξασθένιση, αλλά και μεγαλύτερο το κόστος.

Ομοαξονικά καλώδια Από μέσα προς τα έξω τα καλώδια αυτά αποτελούνται συνήθως από ένα ενιαίο εσωτερικό αγωγό, ένα άσπρο μονωτικό υλικό (διηλεκτρικό), ένα λεπτό πλέγμα (τριχοειδές εξωτερικός αγωγός) και ένα εξωτερικό μονωτικό περίβλημα.  Υπάρχουν διαφορετικά είδη: Διαφορά στο μέγεθος της διαμέτρου Διαφορά στο κόστος Διαφορετικές απώλειες που μπορούν να εμφανίσουν σε συγκεκριμένο μήκος και σε συνάρτηση με την συχνότητα του σήματος. Χρησιμοποιούνται για την μετάδοση καλωδιακής TV (CATV) με εύρος ζώνης έως 1 GHz = 1000 MHz στα συστήματα τηλεφώνου (σε αποστάσεις μέχρι 2 km)

Οπτική ίνα Αποτελείται από ένα γυάλινο ή πλαστικό αγωγό (πυρήνας) ο οποίος περιβάλλεται από μια μονωτική επικάλυψη (μανδύας) που με τη σειρά του περιβάλλεται από ένα προστατευτικό περίβλημα. Επειδή ο μανδύας έχει μικρότερο δείκτη διάθλασης από τον πυρήνα, το σύνορο μεταξύ τους λειτουργεί σαν καθρέφτης, με αποτέλεσμα το φως να κινείται μέσα στον πυρήνα, υφιστάμενο διαδοχικές ανακλάσεις πάνω στα τοιχώματά του. Ο ρυθμός μετάδοσης του φωτός μέσα στην οπτική ίνα έχει ένα μέγιστο όριο που προσδιορίζεται από τις φυσικές ιδιότητες της ίνας. Η πηγή του φωτός που μεταδίδεται είναι είτε λέιζερ ή LED (light emmiting diode) με μήκη κύματος 800 nm – 1500 nm.

Τύποι οπτικών ινών Tight buffer Loose buffer Τα καλώδια οπτικών ινών περιέχουν από 1 έως 36 οπτικές ίνες. Tight buffer υπάρχουν συνθετικές ίνες και εξωτερικό μονωτικό περίβλημα σε κάθε οπτική ίνα και εξωτερικά από την επίστρωση μέσα στο καλώδιο υπάρχουν πολλές τέτοιες ίνες, όπου η κάθε ίνα αποτελεί και ένα ξεχωριστό καλώδιο. Loose buffer Οι οπτικές ίνες με την επίστρωση τους είναι τοποθετημένες ελεύθερα μέσα στο καλώδιο και περικλείονται από εξωτερικό περίβλημα μέσα στο καλώδιο τοποθετείται επίστρωση από συνθετικές ίνες για την ανθεκτικότητα του καλωδίου Tight buffer Loose buffer

Χρήσεις οπτικών ινών Χρησιμοποιούνται από τους τηλεπικοινωνιακούς οργανισμούς για επίγειες και υποθαλάσσιες συνδέσεις μεγάλων αποστάσεων π.χ. για τη διασύνδεση ηπείρων αντικαθιστούν τις γραμμές ομοαξονικών καλωδίων και τις επίγειες και δορυφορικές μικροκυματικές ζεύξεις. από ιδιωτικές εταιρίες σε τοπικά δίκτυα σε πανεπιστημιακά δίκτυα κορμού σε δίκτυα ευρείας περιοχής σε δίκτυα καλωδιακής τηλεόρασης σε εφαρμογές με υψηλές απαιτήσεις σε ασφάλεια μετάδοσης (π.χ. στρατιωτικές) σε βιομηχανικές εφαρμογές, όπου υπάρχει υψηλός βιομηχανικός θόρυβος, στον οποίο οι οπτικές ίνες παρουσιάζουν ανοσία

Πλεονεκτήματα οπτικών ινών Μεγάλη χωρητικότητα της τάξης των Gbps Λόγω του υλικού κατασκευής τους, οι οπτικές ίνες συμπεριφέρονται σαν καθρέπτες χωρίς απώλειες. Η χαμηλή εξασθένιση στις οπτικές ίνες οφείλεται στην υψηλή διαύγεια του υλικού. Λόγω της εξαιρετικά καλής μόνωσης οι οπτικές ίνες είναι απρόσβλητες από περιβαλλοντικές παρεμβολές που προκαλούν εξασθένιση του σήματος. Επειδή δεν υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια μέσα στις ίνες όπως στα καλώδια με αγωγούς, δεν υπάρχει παρεμβολή στο σήμα λόγω περιβαλλοντικών μαγνητικών πεδίων. Επειδή η οπτική ίνα δεν μεταφέρει ηλεκτρικό σήμα, προτιμάται σε περιοχές υψηλού κίνδυνου εκρήξεων από σπινθήρες π.χ. σε χώρους καυσίμων, εύφλεκτων αερίων κλπ. δεν είναι ευαίσθητες σε υγρό περιβάλλον, όπου τα χάλκινα καλώδια μπορεί να δημιουργήσουν βραχυκυκλώματα. Προσφέρουν μόνωση στα συστήματα που συνδέουν Υψηλή ασφάλεια - δυσκολία στις υποκλοπές Πολλές οπτικές ίνες μπορούν να τοποθετηθούν σε ένα καλώδιο (ενός σύρματος) επειδή οι ίνες έχουν μικρό μέγεθος και βάρος π.χ. χάλκινο καλώδιο με 1000 ζεύγη και μήκος 500 μέτρων ζυγίζει περίπου 4000 κιλά, ενώ οπτική ίνα του ίδιου μήκους, που περιέχει τον ίδιο αριθμό καναλιών, ζυγίζει μόνο 45 κιλά

Μειονεκτήματα οπτικών ινών Η δυσκολία υλοποίησης συνδέσεων, επειδή απαιτείται υψηλή προσαρμογή και ευθυγράμμιση της φωτεινής πηγής, για να μην υπάρχει διασπορά και για να ελαχιστοποιηθούν οι απώλειες. ανάγκη ύπαρξης επιδέξιων εγκαταστατών Δυσκολία διασύνδεσης πολλών χρηστών πάνω σε ένα καλώδιο Ακριβές για μικρές αποστάσεις Σε μακρινές αποστάσεις είναι πιο φθηνές από τα άλλα καλώδια => Συμπερασματικά τα καλώδια οπτικών ινών παρουσιάζουν τις ίδιες μηχανικές ιδιότητες με τα ομοαξονικά, αλλά είναι ελαφρότερα σε βάρος, μικρότερα σε διάμετρο, και οι αποστάσεις μεταξύ των επαναληπτών (για την αναπαραγωγή του σήματος) είναι μεγαλύτερες.

DSL - Ψηφιακή Συνδρομητική Γραμμή Το DSL (Digital Subscriber Line) είναι μια τεχνολογία που επιτρέπει τη μεταφορά δεδομένων με υψηλή ταχύτητα, μέσω των ήδη υφιστάμενων τηλεφωνικών γραμμών (καλώδια συνεστραμένων ζευγών) Η επικοινωνία γίνεται ψηφιακά, επιτρέποντας τη χρήση πολύ μεγαλύτερου εύρους ζώνης για τη μεταφορά δεδομένων, χάρη στη χρήση εξελιγμένων τεχνικών διαμόρφωσης σήματος => επίτευξη υψηλότερων ταχυτήτων από αυτές των συνηθισμένων dial-up συνδέσεων. Επιτρέπει τη χρήση ενός μέρους του εύρους για τη μεταφορά αναλογικού σήματος (φωνής), επιτρέποντας έτσι την ταυτόχρονη χρήση μιας γραμμής για τηλεφωνική σύνδεση και μετάδοση δεδομένων. Other technologies: -- Cable modems -- FTTx (fiber to the x, e.g. home – CYTA is about to start a pilot program. We are talking 1GBits to your home) -- satellite

DSL Ταυτόχρονη πρόσβαση στο διαδύκτιο και χρήση τηλεφώνου για συνομιλία Η ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων πολύ μεγαλύτερη από εκείνη των συνηθισμένων modem (1.5 Mbps αντί για 56 Kbps) Δεν χρειάζεται καινούρια καλώδια – χρησιμοποιεί την γραμμή τηλεφώνου που υπάρχει Η εταιρεία που παρέχει το DSL παρέχει το ειδικό modem ως μέρος της εγκατάστασης

Μέγιστη Αποστολή Δεδομένων Μέγιστη Λήψη Δεδομένων Τύποι xDSL O όρος xDSL αναφέρεται στο σύνολο των διαφορετικών (και ασύμβατων μεταξύ τους) τύπων σύνδεσης που έχουν αναπτυχθεί για να καλύψουν διαφορετικές ανάγκες.   Τύπος Μέγιστη Αποστολή Δεδομένων Μέγιστη Λήψη Δεδομένων Μέγιστη Απόσταση ADSL 800 Kbps 8 Mbps 5,500 m HDSL 1.54 Mbps 3,650 m IDSL 144 Kbps 10,700 m MSDSL 2 Mbps 8,800 m RADSL 1 Mbps 7 Mbps SDSL 2.3 Mbps 6,700 m VDSL 16 Mbps 52 Mbps 1,200 m ADSL – Asymmetric DSL HDSL – High bit-rate DSL IDSL – DSL over ISDN (Integrated Services Digital Services) MSDSL – Multi-rate Symmetric DSL (can be set by provider) RADSL – Rate-adaptive ADSL (adaptively set by modem depending on quality of line) SDSL – Symmetric DSL VDSL – Very high bit-rate DSL Note: the higher the speed the lower the maximum distance.

Παράδειγμα Η σχετική μέγιστη ταχύτητα με την οποία οι διάφορες τεχνολογίες πρόσβασης μπορούν να μεταφέρουν αρχείο χωρητικότητας 25 Mbyte και ο χρόνος που απαιτείται.

ADSL Το ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) είναι η πιο διαδομένη μορφή xDSL αυτή τη στιγμή. To πρόθεμα "A" στο ADSL δηλώνει "Ασυμμετρικό" το οποίο σημαίνει τη βελτιστοποίηση της ταχύτητας μεταφοράς δεδομένων, έτσι ώστε, η μέγιστη δυνατή ταχύτητα να είναι διαθέσιμη για "downloading", που αποτελεί και την πιο συχνή δραστηριότητα του μέσου χρήστη.

Πλεονέκτημα της τεχνολογίας ADSL Μεγάλη ταχύτητα διακίνησης δεδομένων, πολλαπλάσια των dialup συνδέσεων Μόνιμη "always on" σύνδεση, χωρίς διαδικασίες dial-up και login Ταυτόχρονη μετάδοση φωνής (μέσω τηλεφώνου) και δεδομένων (μέσω ADSL) Σύνδεση χωρίς επιπρόσθετο τηλεπικοινωνιακό κόστος

Μειονεκτήματα της τεχνολογίας ADSL Η υπηρεσία δεν είναι διαθέσιμη οπουδήποτε

Εξάπλωση DSL Ραγδαία εξάπλωση. Τους 12 τελευταίους μήνες ο αριθμός των χρηστών αυξήθηκε κατά 29% παγκοσμίως Τον Ιούνιο του 2007 ο αριθμός ξεπέρασε τα 200 εκατομμύρια Δηλαδή σχεδόν 20% των τηλεφωνικών γραμμών είναι συνδεδεμένες με DSL

Χρήση DSL Παγκοσμίως Πρώτες 10 χώρες στη χρήση DSL Global Ranking Country DSL Subscribers May 2007 DSL Subscribers per 100 inhabitants December 2006 1 China 43,400,000 2.8 2 USA 27,510,000 8.5 3 Germany 15,665,000 16.4 4 France 14,636,000 19.1 5 Japan 14,251,000 11.1 6 UK 11,025,000 16.5 7 Italy 9,017,000 13.8 8 Spain 5,755,000 12.1 9 South Korea 5,125,000 11.4 10 Brazil 4,777,000 2.5 Don’t forget there are other forms of broadband connections like Cable modems, which are very popular in the U.S. and S. Korea. Source: Part of this data provided for the DSL Forum by Point Topic (www.point-topic.com)

DSL στην Κύπρο Yπηρεσία i-choice της ΑΤΗΚ, αλλά και της PrimeTel, κτλ. Για την παροχή της υπηρεσίας i-choice βασική προϋπόθεση είναι όπως στο τηλεφωνικό κέντρο στο οποίο βρίσκεται συνδεδεμένος ο πελάτης, υπάρχει εγκατεστημένος πολυπλέκτης DSLAM. Διάδοση στη Κύπρο: 7.4 συνδρομητές για κάθε 100 κατοίκους το 2006 (σχεδόν διπλασιάστηκε από το 2005)

Στην συνέχεια… Ασύρματη μετάδοση πληροφορίας