Mediile de transmisie

Mediile de transmisie

Multitudinea retelelor de calculatoare, diversele moduri de interconectare ale sistemelor in cadrul retelelor si ale retelelor intre ele, se bazeaza si pe o varietate de medii de transmisie, utilizate specific in timp, medii care trebuie sa asigure performante superioare in ceea ce priveste viteza de comunicare, rata de erori, costul, necesitatea de amplificare.

Dintr-un punct de vedere foarte general, mediile de transmisie se pot grupa in doua mari categorii:

n      medii de transmisie bazate pe fir (hardwire), fie electrice, precum perechea de fire rasucite, cablul coaxial, fie optice, respectiv cablul optic

n      medii de transmisie nebazate pe fir, 'fara fir' (wireless), precum razele infrarosii, undele radio, microundele.

Mediile de transmisie electrice

Mediul de transmisie electric, cablul electric, pentru a oferi bune performante in transmisia de date, trebuie sa posede caracteristici electrice optime, deci sa fie caracterizat prin rezistenta, capacitate si impedanta reduse, dar si caracteristici mecanice specifice, precum flexibilitate, rezistenta la tractiune, rezistenta la temperatura.

Caracteristicile cablurilor electrice au fost continuu imbunatatite, astfel ca s-a ajuns in decursul ultimului deceniu de la firul telefonic obisnuit, cu o banda de trecere de 4kHz, la cabluri oferind banda de sute de megahertzi, comparabile (in cazul LAN) cu performantele cablului optic.

Caracteristicile cablurilor electrice, depind, pe langa natura intrinseca a materialului folosit, de alti factori, precum: geometria sectiunii, numarul de conductori si distanta intre ei, tipul de material izolator folosit, materialul pentru protectia electrica.

Se definesc pe scurt principalii parametri electrici si de alta natura, specifici cablurilor electrice.

Impedanta

Impedanta unui cablu electric este parametrul electric cel mai important, mai ales daca cablul se foloseste la frecvente inalte. Aceasta deoarece in transmisiile de date nu intereseaza doar valoarea impedantei la o frecventa data a semnalului electric, ci si variatia ei functie de frecventa. Este foarte importanta stabilitatea impedantei, astfel ca certificarea unei valori pentru un cablu se face intr-un domeniu de frecvente de la 100kHz la sute de megahertzi. Cablurile folosite in transmisiile de date prezinta uzual impedante in domeniul 50-150W, dar uzual se folosesc cablurile la 100W

Viteza de propagare

Viteza de propagare a semnalului electric printr-un cablu este un parametru foarte important, care sta la baza calculului vitezei de transmisie pe cablu. Viteza de propagare reprezinta un procent din viteza luminii, in cazul cablurilor electrice procentul este de 55-75%, deci se poate lua ca valoare medie valoarea procentuala de 66%, implicand o valoare a vitezei de propagare a semnalului electric prin cablul bazat pe cupru de 200.000Km/s.

Atenuarea

Atenuarea sau pierderea suferita de semnal pe cablu (loss) este un parametru foarte important, de el depinzand comportarea la frecvente inalte a cablului. In general, pentru a lucra la frecvente mari, cablul trebuie sa prezinte valori mici ale atenuarii (atenuarea se exprima in dB, deci pe scara logaritmica). Se poate considera o crestere liniara a atenuarii cu lungimea cablului si o crestere in frecventa proportionala cu radacina patrata a frecventei.

Diafonia

Diafonia (cross-talk) este o masura (in dB) a cat influenteaza un cablu comportarea unui cablu aflat in vecinatate. Ea masoara raportul dintre un semnal prezent pe un cablu si semnalul indus de acesta pe un cablu pereche vecin. Este un parametru ce depinde si el de frecventa, dar mai putin de lungimea cablului, pentru ca ea creste pentru primii metri ai cablului, pentru ca apoi sa ramana independenta de lungime.

Pentru limitarea efectului diafoniei se utilizeaza ecranarea cablurilor, prin folosirea unui invelis protector metalic care se leaga la masa. Invelisul se realizeaza fie cu folie metalica, fie cu tesatura de fire metalice. Ecranarea se poate face la modul global, pentru intreg cablul, sau separat pentru fiecare fir conductor din cablu, iar in unele cazuri se folosesc ambele modalitati.

Folosirea unei metode de transmisie echilibrate diferentiale (balanced differential transmission) va duce mai mult la scaderea influentei campului electric distorsionant. Figura ilustreaza modul de transmisie echilibrat, aratand ca tensiunea de iesire (de la capatul firului) repeta aproximativ tensiunea de 'intrare', si nu depinde de zgomotul indus de-a lungul cablului, zgomot notat cu V_D.

	+Vin/2

	Vout = (VD +Vin/2) - (VD - Vin/2) = Vin.

Geometria sectiunii conductorului

Sectiunea conductorului se da fie in milimetri, dar in plan international se foloseste unitatea de masura AWG (American Wire Gage). Aceasta reprezinta o scala cu regresie geometrica, are valori intre 0gage si 38gage, dar pentru transmisia de date cablurile folosite utilizeaza conductori ce prezinta sectiuni cuprinzand valori intre 22AWG(cablu de tip 1 IBM) si 26AWG (cablul obisnuit folosit in telefonie).

Prin procesul instalarii cablurilor este posibila alterarea geometriei sectiunii, iar aceasta poate avea influente negative asupra parametrilor semnalului; totusi aceasta influenta este minima pentru cablurile folosite astazi.

Siguranta in caz de incendiu

Cablurile electrice folosite in transmisiile de date trebuie sa se supuna normelor de siguranta in caz de incendiu, norme caracteristice la nivel national. Se folosesc de obicei cabluri a caror structura si imbracaminte exterioara le confera proprietati precum:

n      intarzie propagarea flacarii (flame retardant)

n      produc putin fum in caz de incendiu (low smoke fume)

n      nu emit la ardere gaze toxice (zero Halogen)

Pentru aplicatii particulare se folosesc cabluri de tip plenum, rezistente la temperaturi inalte si nepropagand incendiul; ele sunt scumpe caci folosesc imbracaminte externa din materiale compozite speciale.

Cablul cu fire rasucite TP

Cablul cu fire rasucite, numit si cablu TP (Twisted Pair) constituie mediul de transmisie bazat pe fir de cupru, traditional folosit in telefonie. Perechea de fire rasucite consta din doua fire metalice (din cupru) rasucite dupa un anumit pas (figura). Diametrul firului este de 0,5mm, sau mai precis de 24AWG, iar pasul de rasucire depinde de cablu, mai precis de numarul de perechi de fire rasucite ce alcatuiesc cablul.

Rasucirea firelor este necesara pentru a reduce distorsiunile electromagnetice, prin faptul ca un camp electomagnetic extern va actiona in mod egal asupra celor doua fire. Daca pentru transmisia in fire se adopta o metoda de transmisie diferentiala, echilibrata, atunci efectul distorsionant al campului extern este aproape nul. Pentru un cablu cu mai multe perechi de fire rasucite, pasii de rasucire trebuie sa fie diferiti pentru fiecare pereche, si ei se calculeaza in asa fel ca diafonia intre perechi sa devina minima.

Cablul TP a fost folosit initial in telefonia analogica si prevedea o banda limitata de frecventa (4KHz). Astazi, datorita progreselor in tehnologia de realizare a cablurilor TP, ele prevad o banda de frecventa de sute de megahertzi, utilizandu-se uzual pentru transmisii de date la 100Mbps. Cablurile actuale vor fi folosite la viteze de sute de Mbps, chiar in retelele Gigabit, oferind pentru distante scurte de pana la 100m, performante comparabile cu fibra optica. Viitorul ofera posibilitatea utilizarii in retelele cu conexiuni full duplex si bazate pe echipamente de comutare ultra-rapide

Dupa modul de realizare a ecranarii cablurilor (prevederea unui invelis protector legat la masa, cu efecte de reducere a diafoniei), exista diverse versiuni de cablu TP:

n      cablul ecranat STP (Shielded Twisted Pair), cablu care prevede atat ecran de protectie (invelis protector) pentru fiecare pereche de fire, cat si o ecranare globala, pentru tot cablul

n      cablul FTP (Foiled Twisted Pair), care prevede doar un unic ecran (folie de ecranare) global pentru intreg cablul

n      cablul UTP (Unshielded Twisted Pair), care constituie varianta TP ne-ecranata.

Clasificarea cablurilor cu perechi de fire rasucite folosite in transmisiile de date

Din punctul de vedere al folosirii in transmisiile de date ale diverselor cabluri cu perechi de fire rasucite, diversii parametri sunt tratati grupat, prin definirea a cinci categorii; categoria 1 este cea mai putin pretentioasa, iar categoria 5 cea mai evoluata, cu mentiunea ca fiecare categorie superioara prezinta parametri superiori categoriei inferioare, furnizand serviciile oferite de categoriile inferioare.

Categoria 1, numita Telecommunication, cuprinde cablurile folosite numai in telefonia clasica, analogica.

Categoria 2 (Low Speed Data) cuprinde cablurile pentru telefonia analogica si digitala, dar care ofera servicii de transmitere de date la viteze inferioare.

Categoria 3 (High Speed Data) defineste cablurile folosite la realizarea retelelor locale cu viteze de pana la 10Mbps, in special a retelelor 802 de tip 10BaseT si a retelelor Token Ring la 4Mbps.

Categoria 4 (Low Loss, High Performance Data) defineste cabluri cu performante ridicate in ceea ce priveste atenuarea si viteza de transmisie, fiind folosite la viteze de cateva zeci de Mbps, precum in retele de tip Token Ring la 16Mbps.

Categoria 5 (Low Loss, Extended frequency, High Performance Data), se folosesc actualmente in retele ce opereaza pana la 100Mbps, precum 100BaseT.

Principalele caracteristici ale ultimelor trei categorii de cablu, cablurile cu perechi de fire rasucite (Twisted Pair) de categoriile 3, 4 si 5, sunt ilustrate sumar in tabelul , cu remarca ca exista realizari care au performante superioare in domeniul atenuarii si diafoniei, cu valori mult mai mici decat valorile admise prezentate.

Deasemenea, desi majoritatea cablurilor TP au impedanta de 100W, in retelele Token Ring s-a folosit multa vreme cablul Tip 1 IBM, un cablu STP cu doua perechi de fire si cu o impedanta de 150W. Nefiind un cablu adecvat folosirii si in telefonie, unde se cere o impedanta de 100W (si eventual patru perechi de fire), compania IBM a inceput inlocuirea cablajelor bazate pe acest cablu, cu sistemul ACS (Advanced Connectivity System), bazat pe cablu UTP de categoria 5 la 100W si cu sectiunea de 24AWG.

In atentia cercetatorilor se afla cablurile de categoriile 6 si 7, care vor opera pana la viteze de 200, respectiv 600Mbps.

Cablul coaxial

Cablul coaxial a avut si are inca o larga folosire in retelele locale, datorita retelelor Ethernet si 802.3. Viitorul insa nu ii este favorabil, datorita faptului ca ofera un mediu de transmisie partajat, imposibil de utilizat in retele de mare viteza, retele cu legaturi full duplex sau bazate pe utilizarea comutatoarelor super-rapide (vezi cap). Performantele sale au fost atinse de cablul cu fire rasucite pentru distante scurte si depasite de cablul cu fibra optica, pentru distante lungi.

Structura cablului coaxial este ilustrata de figura El consta dintr-un miez de cupru, numit conductorul central, izolat de al doilea conductor, conductorul exterior, de obicei un ecran realizat cu tesatura de fire subtiri. Tot cablul este invelit intr-o teaca de plastic.

Performantele sale sunt superioare pana la un punct cablului TP, atat in ce priveste banda de frecventa asociata, deci viteza de transmisie, cat si in ce priveste atenuarea semnalului pe cablu si interferentele cu exteriorul, cu implicatii asupra ratei de eroare si distantei maxime de propagare a semnalului fara necesar de amplificare Noile categorii de cablu TP sunt insa comparabile ca performante.

Cablul coaxial folosit in transmisiile de date este cablul coaxial in banda de baza, cu impedanta de 50W

Exista un tip de retea locala, prezentata in capitolul , retea in banda larga, folosind transmisia analogica, numita 10Broad36, care se bazeaza pe cablul coaxial de banda larga, avand impedanta de 75W, cablul obisnuit pentru transmisiile CATV (Common Antena TV). Actualmente interesul pentru retelele locale in banda larga a scazut, datorita problemelor de cost, proiectare, necesar de amplificare si acordare, precum si de intretinere a retelelor. Raportul performanta/cost oferit de retelele broadband nu mai justifica folosirea lor pentru retelele locale.

Cablul cu impedanta de 50W folosit in retelele locale este de doua tipuri:

- cablul Ethernet gros (thick), codificat RG213, folosit in retele IEEE 802.3 de tip 10Base5, cu buni parametri electrici, dar dificil de montat, de realizat cablajul in interiorul unei cladiri, datorita rigiditatii si razei de curbura maxim admisa

cablul Ethernet subtire (thin), codificat RG58, folosit in retele de tip 10Base2

Conectarea calculatoarelor la cablul coaxial se face prin doua metode:

- folosind jonctiuni T, metoda care prevede taierea cablului si inserarea fiecarei parti intr-o jonctiune T, care este un conector care uneste inapoi cablul, dar prevede si a treia cale, care face conexiunea catre calculator

- utilizarea de conector de tip 'vampir' (vampire tap), care permite patrunderea si crearea unei gauri in cablu pana la conductorul interior, in gaura inserandu-se conectorul, creandu-se tot un fel de conexiune in T, dar nefiind necesara taierea cablului. Capitolul referitor la cablarea cladirilor prezinta tipurile standard de astfel de conectori.

Metoda de codificare folosita uzual pentru transmisiile de date in banda de baza pe cablul coaxial, este metoda Manchester sau Manchester diferentiala.

Cablul cu fire rasucite TP este folosit astazi chiar si in retelele bazate traditional pe cablu coaxial, si de aceea este nevoie de elemente de interconectare a cablului coaxial cu cablul TP. Aceste elemente, fie pasive, fie active (cu elemente de amplificare incorporate), se numesc Balun, de la tipurile transmisiilor pe cele doua cabluri (Balanced to unbalanced).

Medii de transmisie optice

Cablul cu fibra optica

Cablul cu fibra optica (fiber optic) este prezentat ca structura de figura Fibra optica consta dintr-un fir de material sticlos, numit nucleu sau miez (core), acoperit de un invelis de sticla cu alte proprietati de difractie si mai putin dens ca primul, numit manta (cladding). La exterior se prevede un invelis protector din plastic. Dimensiunea nucleului este de ordinul a 125mm, dar cu invelisuri, firul de fibra optica ajunge la un diametru de 0,25mm (deci foarte redus, cu implicatii pozitive asupra nunarului de fibre din cablu si a posibilitatilor de cablare).

Succesul cablului cu fibra optica in comunicatiile de date a survenit deabia dupa anii '70, la multi ani dupa descoperirea fenomenului fizic ca atare. Proprietatile care il fac astazi mediul ideal pentru retelele de mare viteza si intindere medie, sau pentru legaturi principale (trunchiuri de comunicatie) intre retele locale, sunt urmatoarele:

n      atenuare redusa, ceea ce face ca lungimile tronsoanelor de fibra optica sa fie de ordinul Kilometrilor

n      imunitate totala la efectele campurilor electromagnetice, elementele fizice de transport nefiind purtatorii cu sarcina electrica, ci fotonii, total neutri

n      capacitate de transmisie in mediu de ordinul Giga, retelele de astazi lucrand deja la viteze de transmisie de Gbps

n      dimensiunile si greutatile cablului, precum si flexibilitatea, il fac usor de cablat.

Dintre legile opticii, legea care ofera solutia unei transmisii optice fara pierderi datorate refractiei semnalului luminos purtator de informatie, la suprafata de separatie a doua medii, este legea lui Snell, care spune ca pentru valori ale unghiului de incidenta ale razei luminoase superioare unghiului critic, reflexia este totala (refractia este nula). Unghiul critic se calculeaza dupa formula: a_c = arcsin(n2/n1), unde n1 si n2 sunt indicii de refractie ai mediilor, la suprafata de separatie dintre ele avand loc reflexia semnalului (vezi figura , sa se faca sageata la raza din n1 catre n2).

Pentru fibrele optice folosite in comunicatii, n1 = 1,5 (pentru nucleu) si n2 = 1,457 (pentru cladding), deci unghiul critic este a_c

Pentru a se obtine o transmisie fara pierderi, este necesar ca razele sa fie total reflectate la suprafata de separatie dintre nucleu si cladding; cu ajutorul unghiului critic se defineste un con de acceptare a razelor care patrund intr-o extremitate a fibrei optice (vezi figura ). Pe baza unghiului critic se defineste un parametru al fibrei optice si anume 'deschiderea numerica' NA (Numerical Aperture), care este o masura a cantitatii de lumina ce se poate introduce in fibra. Cu valorile de mai sus, parametrul NA are valoarea NA = 0,35.

Energia luminoasa se propaga pe fibra intr-un numar finit de configuratii; fiecare configuratie (numita si mod) are proprietati caracteristice de propagare. Fibra optica care admite mai multe moduri de propagare se numeste multimodala sau fibra multimod. Razele de lumina care se propaga dupa diverse moduri, parcurg drumuri de lungimi diferite si deci au timpi de propagare diferiti (fenomen numit dispersie modala). Fibrele multimodale se impart, dupa modul de variatie al indicelui de refractie in interiorul fibrei optice in:

n      fibre cu indice de refractie constant de la centru spre periferia nucleului ( numite si step-index ), ilustrate de figura . Razele luminoase au un traiect in zig-zag, pentru aceeasi viteza de propagare, drumurile razelor avand lungimi diferite (fibra prezinta o importanta dispersie modala)

n      fibre cu un indice de refractie care variaza gradual descrescator de la centrul spre marginea nucleului, numite fibre graded-index, ilustrate de figura Deoarece viteza de propagare este invers proportionala cu indicele de refractie al miezului, indicii de refractie de-a lungul diametrului miezului pot fi astfel modelati incat dispersia modala sa se minimizeze, razele urmarind traiectorii cu puncte comune, precum in cazul fibrelor multi-modale cu indice gradual (figura )

Dispersia modala este minimizata la maximum prin folosirea fibrei optice mono-modale, care are un nucleu cu un diametru aproximativ egal cu lungimea de unda a razei luminoase (valori de 8-10mm). Fibra se comporta acum ca un ghid de unda, raza de lumina propagandu-se intr-un singur mod, fara a avea reflexii (  Ambele tipuri de fibra optica prezinta inconvenientul unei reletiv pretentioase manopere de conectare sau suntare, fiind necesara aparatura electro-mecanica mai sofisticata. Cazul cel mai defavorabil priveste fibra monomodala, pentru care nucleul are un diametru foarte redus, aceasta fiind cauza si pentru pretul de fabricatie mai ridicat. In domeniul retelelor locale este folosita cu predilectie fibra multi-modala, atat datorita costului, cat si a posibilitatilor de intretinere, conectare si suntare mai usor de indeplinit.

Pentru conectarea fibrelor optice, care se pot folosi doar pentru realizarea de conexiuni de tip punct-la-punct, sunt necesare dispozitive opto-electronice. Cele mai simple se bazeaza pe folosirea pentru generarea fluxului luminos a diodelor emitatoare de lumina LED (Light Emitting Diode) si pentru receptarea fluxului, pe folosirea fotodiodelor. Aceste dispozitive pot lucra doar cu semnal optic cu lungime de unda redusa, deci se pot folosi pentru transmisiile multimod. Pentru lungimi de unda superioare, folosite pentru fibrele unimodale, trebuiesc utilizate dispozitive generatoare de tip laser, care genereaza un fascicol luminos monocromatic si coerent.

Fibrele optice sunt caracterizate constructiv prin doua numere, notate n si m, care reprezinta diametrul nucleului, respectiv diametrul cilindrului de sticla invelitor (cladding). Exista mai multe tipuri de fibre, dintre care in transmisiile de date sunt folosite cele cu valori n/m de: 50/125, 62,5/125, 100/140 pentru fibrele multimodale si valoarea de 10/125, pentru fibra unimodala.

Un alt parametru important al fiecarui mediu de transmisie, atenuarea semnalului purtator de informatie, definit uzual pe unitatea de lungime, este, in cazul fibrei optice, pus in directa legatura cu lungimea de unda a semnalului optic. In comunicatiile optice se folosesc semnale cu lungimea de unda superioara luminii vizibile (situata intre 450 - 750nm), si anume in gama 750 - 1600nm. Analizand dependenta atenuarii functie de lungimea de unda din acest domeniu, s-au definit trei ferestre de lungimi de unda, situate in jurul a cate unui minim al functiei ce da dependenta. Acestea sunt:

- prima fereastra, definita in jurul lungimii de unda de 850nm; aceasta fereastra este folosita de fibrele multimodale, si permite utilizarea dispozitivelor LED; fibrele ce lucreaza in aceasta fereastra se pot utiliza pana la frecvente ale semnalului optic de 150MHz, iar atenuarea tipica este de sub 3,5dB/Km

- a doua fereastra, centrata in jurul valorii de 1300nm, este folosita de fibrele multimodale si unimodale, prezinta o atenuare mai coborata (sub 1dB/Km), si permite frecvente de lucru de 500MHz, chiar 1GHz, daca se foloseste transmisia laser

- a treia fereastra, centrata la 1550nm, folosita doar de fibrele monomodale, ofera o atenuare foarte mica, de sub 0,2 - 0,4dB/Km si permite frecvente ale semnalului laser de 100GHz.

Datorita acestor calitati in ceea ce priveste atenuarea, fibra optica este folosita pentru transmisii pe distante lungi. Cum atenuarea maxima admisa a semnalului purtator este de 10-20dB, rezulta ca necesitatea de aplificare este la 3-5Km, chiar 10Km pentru fibrele multimodale, si la 40-100Km pentru cele unimodale.

Cablul optic este folosit in primul rand pentru legaturi punct-la-punct, metodologia de conectare (modul de acces) nepermitand realizarea facila a legaturilor punct-multipunct; de aceea este preferat pentru realizarea tronsoanelor de comunicatie de mare viteza, tronsoane ce pot interconecta doua retele locale, spre exemplu. Pentru retelele de calculatoare bazate pe fibra optica, topologiile permise sunt cea de inel (vazut ca un ansamblu de legaturi punct-la-punct), sau cea de stea pasiva (un cilindru de siliciu la care sunt conectate liniile de transmisie ale interfetelor, la un capat al cilindrului, iar la celalalt capat sunt conectate toate liniile de receptie ale interfetelor; se realizeaza astfel o transmisie de tip multicast; metoda este insa putin folosita).

Cablul cu fibre optice este de mai multe tipuri constructive, dintre care se flosesc in cablarea retelelor:

- cablul de tip 'dens' (tight), folosit pentru cablarea interioara a cladirilor; el poate cuprinde fibre unimodale sau poate contine un numar important de fibre multimodale; fibrele in interiorul cablului sunt protejate cu mantale rezistente la foc si cu degajare redusa de gaze toxice, iar in centrul cablului exista un element central dielectric

- cablul de tip 'rarefiat' (loose), folosit in exterior, dar necesar a fi protejat la umiditate

- cablul de tip slotted core, folosit in exterior si rezistent la umiditate.

A se vedea fig. de la pg.51-52.

Pentru conectarea la fibra optica se folosesc doua tipuri de interfete (numim interfata ansamblul foto-electric si mecanic care realizeaza cuplarea la fibra a unui dispozitiv de transmitere a datelor):

- interfata pasiva, realizata cu doua conectoare baioneta (taps), infipte in conductor, unul continand un LED, pentru transmisia datelor, si celalalt o fotodioda, pentru receptia datelor; intrefata este complet pasiva, iar caderea unei componente nu afecteaza tronsonul de date, ci doar intrerupe conectarea echipamentului la linie

- interfata activa, sau repetorul activ, care este alcatuit din trei etaje:

- etajul receptor al semnalului optic si transformator al acestuia in semnal electric

- etajul amplificator al semnalului electric, la care se face si conectarea calculatorului, prin intermediul unui cablu electric uzual

- etajul ce converteste semnalul electric amplificat in semnal optic si-l transmite pe fibra

Deoarece repetorul activ actioneaza direct asupra semnalului din fibra (si il prelucreaza), caderea sa va afecta functionarea intregului tronson de transmisie optic.