La couche physique. Transmission de données Bases théoriques

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1 La couche physique Bases pour les autres couches Propriétés des câbles, fibres, médias sans fil et leurs limitations Comment envoyer des bits (numériques) en utilisant des signaux (analogiques)? Moyen: la modulation Application Transport Réseau Liaison Physique Transmission de données Bases théoriques Les débits de communication font face à des limites fondamentales Analyse de Fourier» Limitation de la bande passante» Débit maximal sur un canal» 1

2 Analyse de Fourier Un signal qui varie dans le temps peut être représenté comme une série ayant plusieurs composantes fréquentielles (harmoniques): = Temps a, b poids des harmoniques Signaux limités par la bande passante Diminuer la bande passante (nombre d harmoniques) dégrade le signal Bandwidth 8 harmoniques perdu! 4 harmoniques perdu! 2 harmoniques perdu! 2

3 Débit maximal sur un canal Théorème de Nyquist: Relation entre le [débit] et [bande passante (B) et le nombre des niveaux du signal (V)]: Débit Max. = 2B log 2 V bits/sec Théorème Shannon: Relation entre le [débit] et [bande passante (B) et la puissance du signal (S) sur bruit (N)]: Max. data rate = B log 2 (1 + S/N) bits/sec Vitesse du changement du signal Combien de niveaux le signal peut prendre Transmission à guide d ondes (Cables & Fibres) Les supports physiques possèdent des propriétés différentes; par conséquent, des performances différentes Câbles: Paires torsadées» Câbles coaxiaux» Lignes électriques» Fibres» 3

4 Cables Paires torsadées Très utilisés; dans les LANs, les lignes téléphoniques Augmenter le nombre de torsades réduit la diaphonie (interférence) Cable catégorie 5 UTP 4 paires torsadées Terminologie des liens Full-duplex Transmission simultanée dans les deux directions ex., utiliser différents paires pour chaque direction Half-duplex Les deux directions, mais une à la fois ex., les émetteurs envoient à tour de rôle dans une transmission sans fil Simplex Une seule direction; très peu utilisé 4

5 Cables Cable Coaxial ( Co-ax ) Très utilisé aussi. Meilleur blindage, bande passante plus large longue distance et meilleur débit. Cables Lignes électriques Une infrastructure très présentes une alternative mais peu adaptée pour la transmission de données 5

6 Fibres optiques (1) Important débits et longues distances Les liens longues distance des opérateurs (FAI) et Fiber-to-the-Home Le signal lumineux traverse de longs câbles de verre source de lumière (LED, laser) Réflexions Photodetecteur Fibres optiques (2) Les fibres optiques possèdent une bande passante énorme (THz) et peu de pertes 6

7 Fibres optiques (3) Single-mode Cœur très étroit (10um) le signal lumineux est renfermé avec du laser sur de longues distance, ex., 100km Multi-mode un type très courant Cœur plus large (50um) Utilise des LEDs moins coûteux Fibers in a cable Fibres optiques (4) Comparaison des propriétés des cables et fibres: Propriété Cables Fibres Distance Petite (100s de m) Longue (dizaines de km) Bande passante Raisonnable Très large Coût Peu couteux Plus couteux Utilisation Facile Plus compliquée Sécurité Écoute facile Écoute très difficile 7

8 Transmission sans fil Spectre Électromagnétique» Transmission Radio» Transmission Micro-ondes» Transmission de lumière Sans fil vs. Filaire» Spectre Électromagnétique (1) Différentes bandes pour différentes utilisations: Radio: Diffusion; Infrarouge/Lumière: line-of-sight Micro-ondes: LANs et 3G/4G; Microwave 8

9 Spectre Électromagnétique (2) Pour gérer l interférence, le spectre est divisée en portions, et son utilisation est régulée, ex., des enchères. 300 MHz 3 GHz WiFi (ISM bands) 3 GHz Source: NTIA Office of Spectrum Management, GHz Allocation aux états-unis Electromagnetic Spectrum (3) Heureusement, il existe les bandes ( ISM ): ouvert mais à basse puissance; gérer l interférence Très utilisé dans les réseaux; WiFi, Bluetooth, Zigbee, etc b/g/n a/g/n 9

10 Transmission Radio Les signaux radios pénètrent les murs et se propagent sur de longues distances avec path loss Bandes VLF, LF, MF Bande HF Transmission Micro-ondes Les Micro-ondes possèdent plus de bandes passantes et sont très répondues (WiFi) et (4G, satellites) Signal atténué/réfléchi par tout objet La force du signal change par la mobilité 10

11 Sans fil vs. Filaire Sans fil: + déploiement facile et peu couteux + Mobilité + Diffusion Interférences Débits dépendent de la force variante du signal Filaire: + Facile à assurer un débit fixe Déploiement parfois couteux Mobilité et diffusion difficile à garantir Communication Satellitaire Satellites constituent une manière efficace pour une communication en diffusion, n importe où/ n importe quand Types de Satellites» Satellites géostationnaires (GEO)» Satellites à orbite basse (LEO)» Satellites vs. Fibre» 11

12 Types de Satellites Les propriétés varient selon l altitude: Géostationnaire (GEO), à Orbite moyenne (MEO), et à orbite basse (LEO) Sats needed for global coverage Geostationary Satellites GEO ont une orbite à 35,000 km VSAT (ordinateurs) peuvent communiquer en utilisant un hub Différentes bandes (L, S, C, Ku, Ka) en quelques GHz mais très occupées. GEO satellite VSAT 12

13 Satellites à orbite basse Exemple: Iridium utilise plusieurs satellites pour couvrir la surface de la terre The Iridium satellites form six necklaces around the earth. Modulation numérique et Multiplexage Modulation: envoyer des bits sous forme de signaux; Multiplexage: partager un canal entre les utilisateurs. Transmission en bande de base» Transmission Passband» Multiplexage par division de fréquence» Multiplexage par division de temps» 13

14 Transmission en bande de base Un code envoie des symboles représentant un ou des bits NRZ est le plus simple, (+1V= 1, -1V= 0 ) D autres codes existent Quatre exemples de codes Rétablissement de l horloge Pour décoder les symboles, on a besoin de transitions Autrement plusieurs 0s (ou 1s) donnent confusion, ex.: Stratégies: um, 0? er, 0? Codage Manchester, mixer horloge et données Codage 4B/5B avec la table suivante: Data Code Data Code Data Code Data Code

15 Transmission Passband (1) Moduler l amplitude, fréquence/phase d un signal porteur pour envoyer des bits NRZ signal of bits Amplitude shift keying Frequency shift keying Phase shift keying Multiplexage par division de fréquence (1) FDM (Frequency Division Multiplexing) partage un canal en plaçant les signaux dans différentes fréquences: Le canal FDM résultant 15

16 Multiplexage par division de Temps (TDM) TDM partage un canal dans le temps: Les utilisateurs utilisent tout le canal à tour de rôle; Très utilises dans les réseaux cellulaires 16

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