Siirtotiet (Siirtomedia) 010602000 – Luento 4 Siirtotiet (Siirtomedia)

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

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

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

Yleistä siirtoteistä Tiedonsiirrossa tiedonsiirtonopeus ja etäisyys ovat tärkeitä suureita (mitä suurempi, sitä parempi) Näihin vaikuttavia tekijöitä Kaistanleveys - vaikuttaa suoraan nopeuteen Siirtotien heikennykset - esim. vaimennus Häiriöt muista signaaleista - päällekkäin kulkevat signaalit eivät ole hyväksi siirrettävälle datalle Vastaanotinten lukumäärä - joissakin tapauksissa vastaanotinten määrä vaikuttaa siirtotien häiriöihin

Tietoliikenteen sähkömagneettinen spektri

Johtimelliset siirtotiet Johtimellisessa siirtotiessä tiedonsiirtonopeus tai kaistanleveys riippuu pitkälti laitteiden välisestä etäisyydestä Johtimellisia siirtoteitä Parikaapeli (twisted pair) - esim. puhelinkaapeli Koaksiaalikaapeli (coaxial cable) - TV kaapeli Optinen kuitu (optical fiber) Sähköjohto – Tilaajaliitäntä sähköverkon välityksellä

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

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

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)

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

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

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)

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

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, lämpö-kohina, keskeismodulaatiokohina (FDMA)

Optinen kuitu Optinen kuitu on 2-125 µm paksuista valoa läpäisevää materiaalia (lasi, muovi, …) 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

Optinen kuitu

Optinen kuitu Kuidun etuja: Suuri kapasiteetti (satoja Gbit/s kymmeniä kilometrejä) kaistanleveys, tiedonsiirtonopeus Pieni koko ja keveys ohut kaapeli Pieni vaimeneminen hyvin pitkiä siirtomatkoja (kymmeniä km) ilman toistimia Sähkömagneettinen eristys hyvä häiriönsieto, ei impulssikohinaa tai ylikuulumista turvallisuus: vaikea salakuunnella

Optinen kuitu Kuidun haittoja: kuparia korkeampi hinta asentaminen vaatii tarkkuutta katkenneen kuidun korjaus vaikeaa

Kuitujen käyttökohteita: Optinen kuitu Kuitujen käyttökohteita: 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

Optinen kuitu Optiset kuidut toimivat 100 - 1000 THz alueella (infrapuna ja näkyvä valo) Kuitujen toiminta perustuu valon kokonais-heijastukseen Kuidut voidaan jakaa monimuoto- ja yksi-muotokuituihin Monimuotokuituja on askeltaitekertoimisia ja asteittaistaitekertoimisia

Optinen kuitu

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

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

SIGNAALIN VAIMENEMINEN eri johtimissa

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

Johtimettomat siirtotiet Signaali etenee ilmassa (tai muussa väliaineessa) antennien välityksellä Jako Suunnattu (directional) Suuntaamaton (omnidirectional) ympärisäteilevä Suunnatussa antennien oltava tarkasti toisiaan kohden Suuntaamattomassa kommunikoinnissa aallot etenevät kaikkiin suuntiin

Langattomat etenemismuodot Ground-wave, sky-wave, line-of-sight

Johtimettomat siirtotiet Kolme perustaajuusaluetta: 30 MHz - 1 GHz - käytetään ympärisäteilevissä sovelluksissa (radioaallot) 1 - 40 GHz mikroaallot - käytetään erittäin tarkasti suunnatuissa antenneissa 300 GHz - 200 THz infrapuna-alue - käytetään esim. toimistoympäristöissä yhden huoneen sisällä point-to-point kommunikointiin

Johtimettomat siirtotiet Johtimettomien siirtoteiden jako Mikroaaltolinkit Suunnattu kommunikointi Satelliittilinkit Satelliittikommunikointi Radiotie Suuntaamaton kommunikointi Infrapuna Lyhyen matkan point-to-point

Mikroaaltolinkit Mikroaaltolinkeissä käytetään tarkasti suunnattuja lautasantenneja Antennit sijaitsevat riittävän korkealla, jotta ”näköyhteysvaatimus” saavutettaisiin Maksimietäisyys d antennien välillä on: d = etäisyys [km] h = antennin korkeus [m] K = korjauskerroin

Mikroaaltolinkit Korjauskerrointa K tarvitaan, koska aallot taipuvat ilmassa ja etenevät näköyhteyttä pidemmälle K = 4/3 (yleisesti käytetty K:n arvo) Esim. Antennien korkeus 100 m => d = 82 km

Mikroaaltolinkit Mikroaaltolinkkejä käytetään: runkoverkot point-to-point linkit rakennusten välillä sekä äänelle että datalle Mikroaaltolinkkejä voidaan käyttää laajalla taajuusalueella (1-40 GHz) Mitä korkeampi taajuus sitä laajempi taajuuskaista ja suurempi siirtonopeus (lyhyempi etäisyys)

Mikroaaltolinkit Suurin häiriötekijä on signaalin vaimennus Vaimennus on etäisyyden ja aallonpituuden funktio: Vaimennus on etäisyyden neliön funktio, kun parikaapelilla ja koaksiaalilla vaimennus on exponentiaalinen etäisyyden suhteen => vahvistimet ja toistimet voidaan sijoittaa kauemmas (10 - 100 km päähän) Sade ja taajuusalueiden päällekkäisyys muita häiriötekijöitä, heijastukset Taajuusalueiden käyttö onkin hyvin säänneltyä 4-6 GHz, 11 GHz, 22 GHz Mitä suurempi taajuus, sitä pienempi antenni

Satelliittilinkit Satelliittilinkit ovat eräänlaisia mikroaaltolinkkejä maassa sijaitsevat lähettimet ja vastaanottimet linkitetty satelliittien kautta Satelliitilla kaksi taajuusaluetta: vastaanottaa signaalin uplink-kaistalla, vahvistaa ja ja lähettää eteenpäin downlinkillä Toiminta voi olla point-to-point broadcast

Satelliittien toimintatyypit

Satelliittien kiertoratatyypit Vanhimmat satelliitit paikallaan pysyviä eli ns. geostationaarisia (korkeudella 35784 km) GEO (Geostationary Earth Orbit) Uudemmat satelliitit voivat olla matalarata-satelliitteja (LEO, MEO (Low/Medium Earth Orbit)) Myös HEO (Highly Elliptical Orbit) satelliitteja on olemassa Samalla kaistalla toimivat satelliitit eivät saa olla liian lähellä toisiaan häiriöiden vuoksi 4 astetta 4/6 GHz kaistalla 3 astetta 12/14 GHz kaistalla => rajoittaa satelliittien maksimimäärää

Satelliittien kiertoratatyypit

Satelliittilinkit Satelliitteja käytetään: Televisiokanavien jakeluun broadcast-jakelu asemille broadcast-jakelu asiakkaille Puhelinliikenteeseen satelliittipuhelut alueilla joilla ei mahdollisuutta järkevästi maanpäälliseen verkkoon Yksityisiin tietoverkkoihin Erittäin vähäistä

Satelliittilinkit Paras taajuusalue 1-10 GHz alle 1 GHz luonnollisia häiriölähteitä yli 10 GHz vaimeneminen kasvaa rajusti Yleisesti käytössä 4/6 GHz kaista (täynnä) 11(12)/14 GHz kaista uutena, etuna pienemmät vastaanottolaitteet 19(20)/29(30) GHz seuraavana vuorossa (yhä suuremmat kaistanleveydet) Huomattava etäisyyden takia noin 0.25 sekunnin etenemisviive

Radiotie Radiotie eroaa mikroaalto- ja satelliittilinkeistä lähinnä aaltojen suuntaamattomuudessa Antennien ei tarvitse olla lautasantenneja Taajuusalueet 3 kHz - 300 GHz radioaaltoja Tehokkaimmillaan radiotie on 30 MHz - 1 GHz alueella Aallot eivät vaimene niin herkästi

Radiotie Radiotietä käyttävät laitteet “näköyhteydellä“ eli noin Vaimennus mikroaaltoja vastaavalla tavalla Suurempi aallonpituus tosin näkyy selkeästi pienempänä vaimenemisena Suurin häiriötekijä on monitie-eteneminen (heijastukset esteistä ja pinnoista aiheuttavat signaaleille useita etenemisreittejä) Muut häiriöt vastaavia kuin mikroaalloilla

Radiotie Eniten käytetty johtimeton siirtotie nykypäivän tietoliikenteessä (käytetään mm. seuraavissa): Matkapuhelinjärjestelmät Bluetooth (ja muut lyhyen kantaman radiotekniikat) Radio- / TV-lähetykset Langattomat lähiverkot …

Infrapuna Käytetään infrapuna-alueella olevaa valoa signaalin siirtoon Lähettimen ja vastaanottimen oltava näkö-yhteydellä Infrapuna-aallot eivät läpäise esteitä (johtuen pienestä aallonpituudesta) Ei siis tietoturvaongelmia Käyttö: esim. kaukosäätimet ja pienimuotoinen datan siirto (esim. PC <-> matkapuhelin)