Основы передачи дискретных данных

Состав линии связи

Типы линий связи
Проводные (воздушные)
♦
Кабельные
Коаксиал
Витая пара
Оптическое волокно

Радиоканалы наземной и спутниковой связи
Радиорелейные (СВЧ) каналы

Характеристики линий связи
Амплитудно-частотная характеристика
Полоса пропускания
Затухание
Помехоустойчивость
Перекрестные наводки на ближнем конце линии (NEXT)
Пропускная способность
Достоверность передачи данных
Удельная стоимость

T
=
Представление периодического сигнала суммой синусоид
Спектральный анализ сигналов на линиях связи

Спектральное разложение идеального импульса (δ-функция)

Искажения импульсов в линиях связи

Представление линии в виде распределенной индуктивно-емкостной нагрузки

Амплитудно-частотная характеристика

Полосы пропускания линий связи и популярные частотные диапазоны

Соответствие между полосой пропускания линии связи и спектром сигнала

Пропускная способность - C(бит/с)-
максимально возможное число бит информации, которые могут быть переданы в секунду
С(бит/с) = F × log2(1 + Pc/Pm)
F - полоса пропускания (Гц)
Типичные значения пропускной способности (bandwidth) линий связи вычислительных сетей:
2400, 4800, 9600, 14400, 28800, 33600 б/с
56, 64 Кб/c; 1.544, 2.048, 10, 16, 34, 45, 155, 622 Мб/c

Повышение скорости передачи за счет дополнительных состояний сигнала
а) сигнал имеет 2 состояния;
б) сигнал имеет 4 состояния
C = , где М - количество состояний одного элемента данных

Помехоустойчивость линии:
определяется мощностью шумов, создаваемых в линии внешней средой и возникающих в самой линии
низкая ⇒ хорошая ⇒ отличная
Кабельные
линии
Радиолинии
Оптоволоконные линии

Достоверность передачи данных:
вероятность искажения бита данных
(10-3 ÷ 10-9 без дополнительных средств, 10-9 - оптоволокно)
Удельная стоимость линии:
затраты на создание 1 км линии - от $0.4 до $8

Аналоговая модуляция: предназначена для передачи дискретных данных, имеющих широкий спектр, по аналоговым линиям связи с узкой полосой пропускания
Аналоговая модуляция
Кодирование (дискретная модуляция)
Методы передачи дискретных данных

Виды аналоговой модуляции:
б) амплитудная
в) частотная
г) фазовая

Спектры сигнала при потенциальном кодировании и амплитудной модуляции

Кодирование
Кодирование в узком смысле - способ представления дискретных данных импульсными сигналами для передачи по широкополосным линиям (без модуляции)
Цели кодирования:
Сужение полосы частот результирующего сигнала. Чем меньше изменений потенциала сигнала в единицу времени (измеряется в бодах), тем уже спектр сигнала, тем выше может быть битовая скорость на линии с фиксированной полосой пропускания
Синхронизация приемника и источника

Синхронизация приемника и передатчика на небольших расстояниях

а) Потенциальный код или NRZ-код
Методы кодирования
Полоса узкая (бод ≤ б/с) (4 бода)
Самосинхронизация плохая
б) Потенциальный код с инверсией при единице NRZI
в) Биполярный код (импульсы разной полярности)
Полоса широкая (бод ~ 2 б/с) (14 бод)
Самосинхронизация отличная
г) Манчестерский код (кодирование перепадами)
Полоса средняя (б/с ≤ бод ≤ 2 б/с) (9 бод)
Самосинхронизация хорошая

Избыточные потенциальные коды (4В/5В, 5В/6В)
К каждым N битам исходного кода добавляется 1 избыточный бит, значение которого выбирается так, чтобы потенциал гарантированно менял свое значение через каждые 2N бит
Код 4В/5В:

Коды глобальных каналов

Скрэмблирование
«Перемешивание» данных по известному закону:
Bi = Ai ⊕ Bi-3 ⊕ Bi-5
- сложение по модулю 2
Обратное преобразование:
Ci = Bi ⊕ Bi-3 ⊕ Bi-5 = Bi = (Ai ⊕ Bi-3 ⊕ Bi-5) + Bi = Ai ⊕ Bi-3 ⊕ Bi-5 ⊕ Bi-3 ⊕ Bi-5 = Ai

Спектры кодов

Кодирование аналоговых сигналов: предназначено для передачи аналоговых данных по линиям связи, имеющим широкую полосу пропускания, достаточную для передачи импульсов

Методы аналоговой модуляции:
амплитудная, частотная, фазовая
Теорема Котельникова-Найквиста
f ≥ 2f0
Кодирование (дискретная модуляция)
Дискретизация непрерывного сигнала по амплитуде и по времени

Коммутация каналов – синхронное разделение во времени (Time Division Multiplexing, TDM или STM)

MUX
Cross-connect
Коммутация каналов – разделение по длине волны (Wave Division Multiplexing, WDM или Dense WDM)
Внутри волны – TDM или пакеты

Сравнение методов коммутации каналов и пакетов

Области применимости методов коммутации
Коммутация каналов применяется
для передачи трафика с постоянной скоростью и чувствительного к задержкам. Пример: речь
Недостатки - в случае временного не использования канала абонентами его пропускную способность нельзя отдать другим абонентам – отсутствует адресная информация в потоке данных
Коммутация пакетов применяется
для передачи пульсирующего трафика с переменной скоростью и не чувствительного к задержкам. Пример: передача текстовых документов, просмотр Web-страниц
Недостатки - нет гарантий пропускной способности, переменные задержки – сложно передавать потоковый трафик реального времени – речь, видео

Комбинирование методов коммутации каналов и пакетов
Коммутация каналов для передачи пользовательских данных и коммутации пакетов для передачи служебной
Сеть с коммутацией пакетов – SS7
Сеть с коммутацией каналов

Комбинирование методов коммутации каналов и пакетов
Виртуальные каналы в сетях с коммутацией пакетов
Устойчивые маршруты перемещения пакетов
Вместо адреса конечного узла используется условный номер виртуального канала
Имеется процедура предварительного установления канала

Комбинирование методов коммутации каналов и пакетов
Вложенность методов коммутации
Тайм-слот 1
Тайм-слот 2
Тайм-слот 3
Тайм-слот 4
Поток тайм-слота 4 делится на пакеты - метод коммутации пакетов вложен в метод коммутации каналов
Поток тайм-слота 1 делится на более мелкие тайм-слоты – иерархия каналов PDH/SDH

Принципы работы протоколов
в сетях с коммутацией пакетов

Структура пакетов и кадров
Кадр 1
Кадр 2
Кадр 3

Синхробайт
Синхробайт
Байт 1
Байт n
Байт 2
Управ-
ление
Управ-
ление
Иденти-
фикатор
Данные пользователя
Контроль
ошибок
Управ-
ление
Синхронизация приемника и источника
Асинхронная и синхронная передача

Передача без установления соединения (датаграммный метод, connectionless)
Передача с установлением соединения (connection-oriented)
Установление соединений

Методы вычисления контрольной суммы
кадра информации
1. Контроль по паритету - применяется для байтов
Обнаруживает только одиночные ошибки

2. Вертикальный и горизонтальный контроль по паритету блоков символов
Биты паритета байтов (нечётность)
Биты паритета столбцов (четность)
Обнаруживает большинство двойных ошибок, но не все

3. Циклические коды контроля двоичных кадров (CRC, Cyclic Redundancy Check)
Биты кадра
2 или 4 байта контрольного циклического кода (CRC)

Код CRC равен остатку от деления кадра, рассматриваемого как двоичное число, на заданное двоичное число (например, на 216+215+22+1)
При получении кадра с кодом CRC общая последовательность бит (данные + CRC) снова делится на общий делитель.
Если ошибок нет, то результат деления должен быть равен 0.
При делителе длинной R бит обнаруживаются:
все однократные битовые ошибки
все двойные битовые ошибки
все ошибки в нечетном количестве бит
все ошибочные последовательности длиной < R (последовательность бит между двумя соседними ошибочными битами)

Методы подтверждения корректности
передачи кадров
1. С простоем источника

Синхронизация символов и кадров
Дополняет синхронизацию бит при синхронном способе передачи
2 метода:
♦ Символьно-ориентированная передача
♦ Бит-ориентированная передача

SYN
. . .
STX
ETX
SYN

. . 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0. . .
Направление передачи
Содержимое
кадра
Получатель вошел в синхронизацию
Получатель детектирует символ SYN
Получатель входит в режим “охотника”
б)
SYN
SYN
SYN
STX
Время

Стоповая
последовательность кадра
Содержимое кадра
(двоичные данные)
Стартовая последовательность
кадра
c)
SYN SYN DLE STX . . . DLE DLE. . . DLE ETX
Направление передачи
Время
Дополнительно
вставленный DLE

Методы синхронизации при
бит-ориентированной передаче кадров
01111110
01101111100…………10011
01111110
Открывающий флаг
Закрывающий флаг
Данные
Бит-стаффинг
11111110
1046
01111……….110
Открывающий флаг
Данные
Длина поля данных
Фиксиро-
ванный заголовок
а) Открывающий и закрывающий флаги
б) Открывающий флаг и поле длины

Методы синхронизации при
бит-ориентированной передаче кадров
01111110
01101111110…………10011
01111110
Открывающий флаг
Закрывающий флаг
Данные
Бит-стаффинг не нужен
в) Открывающий и закрывающий флаги с особыми кодами

1. Могут ли цифровые линии связи передавать аналоговые данные?
2. Каким будет теоретический предел скорости передачи данных в бит/c c по каналу с шириной полосы пропускания в 20 кГц, если мощность передатчика составляет 0,01 мВт, а мощность шума в канале равна 0,0001 мВт?
3. Определите пропускную способность канала связи для каждого из направлений дуплексного режима, если известно, что его полоса пропускания равна 600 кГц, а метода кодирования использует 10 состояний сигнала.
4. Рассчитайте задержку распространения сигнала и задержку передачи данных для случая передачи пакета в 128 байт по:
· кабелю витой пары длиной в 100 м при скорости передачи данных 100 Мбит/с,
· коаксиальному кабелю длиной в 2 км при скорости передачи в 10 Мбит/с,
· спутниковому геостационарному каналу протяженностью в 72 км при скорости передачи данных 128 Кбит/с.
Считайте скорость распространения сигнала равной скорости света в вакууме 300 000 км/с.
Вопросы