Bölüm 1: VERİ İLETİM ORTAMLARI. VERİ İLETİMİ. ASENKRON İLETİM (RS232)

Bölüm 1: VERİ İLETİM ORTAMLARI. VERİ İLETİMİ. ASENKRON İLETİM (RS232) Türkçe (İngilizce) karşılıklar Bantgenişliği (bandwidth) Sayısal (digital) Salınım (oscilation) Microdalga (microwave) Kızılötesi (infrared) Bükümlü Tel Çifti (twisted pair) Eşeksenel (coaxial) Karışma (crosstalk, interference) Optik Lifler (optical fibers) Algılayıcı (detector) Dalgaboyu (wavelength) Tek-modlu (single mode) Çok-modlu (multi mode) Telsiz haberleşme (wireless communication) Transponder (uydu alıcısı-vericisi) Gecikme (latency) Baud miktarı (baud rate) Çoğullama (multiplexing) Çift yönlü (full duplex ya da duplex) Yarı çift yönlü (half duplex), Tek yönlü (simplex) Frekans bölümlü çoğullama (frequency division multiplexing) Dalgaboyu bölümlü çoğullama (wavelength division multiplexing) Zaman bölümlü çoğullama (time division multiplexing) Kodlayıcı-kodçözücü (codec) Eşzamansız (asynchronous) Bölüm Hedefi Bu bölümü bitirdiğinizde Veri iletim ortamlarını (bakır teller, optik lifler, radyo dalgaları, haberleşme uyduları, mikrodalga ve kızılötesi dalgalar) Bir sinyal üzerinden aktarılabilecek veri miktarını Sayısal verinin analog sinyal üzerinden aktarımını Baud miktarı nedir? Çoğullama tekniklerini Eşzamansız haberleşme nedir? öğrenmiş olacaksınız. 1.1 Veri İletimi İçin Kullanılan Ortamlar Veri iletimi için pek çok ortam kullanılır. Bu ortamları, bakır tel, cam lifler, hava olarak sıralayabiliriz. Bakır teller kullandığımızda veri elektrik akımı kullanarak, cam lifler 1

üzerinde ışık yardımı ile, hava da ise radio dalgaları, mikrodalga ya da kızılötesi ışınlar ile aktarılır. Doğal olarak, her ortamda o ortamın özelliklerine uygun bir kodlama yapılması gerekir. LF-low frequency (düşük frekans) MF-medium frequency (orta frekans) HF-high frequency (yüksek frekans) VHF-very high frequency (çok yüksek frekans) UHF-ultra high frequency (ultra yüksek frekans) SHF-super high frequency (super yüksek frekans) EHF-extremely high frequency (aşırı yüksek frekans) THF-tremendously high frequency (muazzam yüksek frekans) Şekil 1.1 Elektromanyetik spectrum ve haberleşmede kullanımı [1] den alınmıştır Boşlukta tüm elektromanyetik dalgalar, frekanslarında bağımsız olarak, aynı hızda ilerler. Bu hız ışık hızı olarak adlandırılır ve 3x10 8 m/sn dir. Işık hızı bir üst limittir. Hiçbir sinyal bundan daha hızlı gidemez. Bakırda ve camda yayılma hızı bunun 2/3 üne düşer ve frekansa bağımlı hale gelir. Frekans (f), dalga boyu (λ) ve boşluktaki ışık hızı (c) arasındaki ilişki: f λ = c şeklinde ifade edilir. 1.1.1 Bakır Teller Bakır kablo üzerinde taşınan elektrik sinyali bir elektromanyatik enerji oluşturur. Bu enerji havada aktarılır ve başka bir bakır tele ulaşınca o tel üzerinde, elektromanyatik enerjinin şiddetine bağlı olarak, o tel üzerinde elektrik akımı oluşturur. Buna da karışma (crosstalk, interference) denir. Eğer iki bakır tel birbirine dik açı oluşturacak şekilde duruyorsa karışma en az seviyede olur. Teller birbirine parallel ve yakın ise, bir tel üzerindeki güçlü bir akım diğer tel üzerinde de oluşturulabilir. Bu problemi çözmek için, bakır teller bükümlü tel çifti ya da eşeksenel kablo şeklinde veri iletimi için kullanılır. 2

Bükümlü tel çifti veri aktarımı için kullanılan en eski ortamlardan biridir. Bir mm kalınlığındaki yalıtılmış iki bakır telin bükülmesi ile meydana gelir. Genellikle telefon bağlantıları için kullanılır. Bükümlü bakır teller üzerindeki sinyali güçlendirmeye gerek duymadan birkaç kilometre taşıyabiliriz. Bükümlü tel çiftleri analog ve sayısal sinyal taşımak için kullanılabilir. Kategori 3 bükümlü tel çiftleri dört çift bükümlü telin bir araya gelmesi ile oluşur ve bilgisayar ağlarında da kullanılır. Kategori 5 bükümlü tel çiftleri 1988 de tanıtılmıştır. Bunların kategori 3 ten farkı cm ye düşen büküm sayısının daha fazla olmasıdır. Büküm sayısının artması karışma oranının düşmesini ve sinyal kalitesinin daha iyileşmesini sağlar. Şekil 1.2 Kategori 3(a) ve kategori 5(b) bükümlü tel çiftleri. [1] den alınmıştır. Eşeksenli kablolarda, bakır kablo güçlü bir metal zırh ile kaplanır. Bu zırh içteki bakır tel üzerinde taşınan sinyalin elektromanyetik enerji oluşturmasını engelleyeceği gibi dişarıdaki elektromanyetik enerjinin içteki bakır telde karışma oluşturmasını engeller. Bu durumda eşeksenli kablolar birbirlerine parallel olarak konumlandırılabilirler. 1.1.2 Optik Lifler Optik iletim sistemleri üç temel birimden oluşur: ışık kaynağı, iletim ortamı (çok ince cam lifler) ve algılayıcı. Optik lifin bir tarafına ışık kaynağını, diğer tarafına da algılayıcıyı yerleştirerek tek yönlü bir iletim ortamı oluşturulur. Optik ortamda, bakır tellerde görülen karışma problemi yoktur. Farklı veriler, bir optik lif üzerinde, eş zamanlı olarak, pek çok dalgaboyu üzerinden aktarılabileceği için optik liflerin veri taşıma kapasitesi çok büyüktür. Şekil 1.3 Bir optik lifin yapısı. [1] den alınmıştır. Veri genelde elektrik siyali üzerinden aktarıldığı için optik liflerin kullanıldığı ortamlarda, önce elektrik sinyalinin ışığa dönüştürülmesi, aktarılması ve sonra da verinin optik sinyalden elektrik sinyaline dönüştürülmesi gerekir. Işık kaynağı olarak LED (Light Emitting Diode) ya da lazer kullanılır. Işığın varlığı bir değerini, olmaması ise sıfır değerini ifade eder. Optik lifler üzerinde sinyal, güçlendirmeye gerek duymadan 3

kilometrelerce gidebilir. Ayrica verinin bozulma olasılığı da çok düşüktür. Buna karşın optik liflerin çekilmesi, lifte kırık oluştuğunda yerinin bulunması ve tamir edilmesi güçtür Optik lifleri tek-modlu ve çok-modlu olmak üzere iki grupta toplayabiliriz. Çok-modlu liflerde ışın lif içinde birkaç farklı yol kullanabilir. Tek-modlu liflerde, lifler çok dardır ve ışının takip edebileceği tek bir yol vardır. 1.1.3 Radyo Dalgaları Radyo, televizyon yayınlarında olduğu gibi elektromanyetik radyasyon bilgisayar verisi aktarmak için de kullanılır. Elektromanyatik radio dalgalarını kullanarak aktarım yapılan ağlara radyo frekansında (RF) çalışıyor denir. RF üzerinden yapılan aktarımlarda iki birim arasında fiziksel bir bağlantı olması gerekmez, her bir birimde bir anten olması yeterlidir. Bu nedenle, bu tip haberleşmeye telsiz (wireless) haberleşme denir. RF ağlarında sinyalin aktarılacağı alanın büyüklüğüne bağlı olarak farklı boyutlarda antenler kullanılır. Kilometrelerce uzağa yapılan bir aktarım için bir kaç metrelik anten gerekirken bir bina içindeki aktarım için bilgisayara sığan bir anten yeterli olur. Şekil 1.4 VLF, LF,MF ve HF bantlarındaki radio dalgalarının davranışı. [1] den alınmıştır. Şekil 1.4(a) da gösterildiği gibi VLF, LF ve MF bantlarındaki radio dalgaları yerkabuğunun şekline göre hareket ederler. HF bantındaki radio dalgaları ise atmosferdeki iyonosfer tabakası tarafından yansıtılırlar. 1.1.4 Haberleşme Uydular Telsiz haberleşmede kullanılan araçlardan biri de haberleşme uydularıdır. Uydular kendilerine gelen sinyali alır güçlendirir ve, gelen sinyal ile karışmaması için, farklı bir frekans üzerinden yeryüzüne gönderirler. Bazı uydu vericileri daha karmaşık işlemler de yapabilir. Bir uydu üzerinde birden fazla alıcı ve verici bulunabilir. Bir uydu vericisi yayın yaptığı alanın boyutunu ayarlayabilir. Bir uydu pek çok müşteriye hizmet verebilir. Uydunun yerleştirildiği yükseklik (yörüngesi) onun periyodunu da belirler. 35,800 km ye yerleştirilen bir uydunun periyodu 24 saattir. Bu dünyanın dönüş hızına eşit olduğu için uydu her zaman bulunduğu yerde duruyormuş hissi uyandırır. Uyduların yerleri belirlenirken Van Allen kuşaklarına da dikkat edilmelidir. Bu kuşaklarda dünyanın manyetik alanı nedeniyle çok yüklü parçacıklar bulunur. Bu kuşaklara yerleştirilecek uydular bu yüksek enerjiye sahip parçacıklar tarafından kolayca 4

yok edilebilirler. Haberleşme uydularının yerleştirileceği yükseklik, yörünge tipi, sinyalin iki uç arasındaki gecikmesi (latency) ve tüm yer kürenin kapsanması için gerekli uydu sayıları A. Tanenbaum un Computer Networks kitabından alınan Şekil 1.5 te verilmişir. GEO-geostationary/geosynchronous orbit (yeryüzü ile eşzamanlı yörünge) MEO-medium-earth orbit (yeryüzüne orta yakınlıkta yörünge) LEO-low-earth orbit (yeryüzüne yakın yörünge) Şekil 1.5. Uyduların yörüngeleri ve yörüngelerin özellikleri. [1] den alınmıştır. Şekilde de gösterildiği gibi yörünge yüksekliği arttıkça gecikme artar. Bu da verinin daha uzun sürede yerine ulaşması demektir. Yörünge yüksekliği azaldığında ise yeryüzünün tümünü kapsamak için gerekli uydu sayısı ve bunların koordinasyonunun karmaşıklığı artar. Diğer yöründelerde olduğu gibi, yeryüzü ile eşzamanlı yörüngelere de dilediğiniz kadar uydu yerleştiremezsiniz. Örnegin ekvator üzerindeki yörüngede yer kalmamış gibidir. Çünkü uydu sinyallerinin birbirine karışmaması için aralarında 4-8 derece fark olması gerekir. Bu da 360 derece düşünüldüğünde 90-45 uyduya karşılık gelmektedir. 1.1.5 Mikrodalga Mikrodalga sinyalleri uzun mesafelerdeki telefon verilerini aktarmak amacıyla kullanılmıştır. Yüksek frekanslarda çalıştıkları için düşük frekanslardaki dalgalardan daha fazla veri taşıyabilirler. Ne yazik ki, mikrodalgalar metal yapılardan geçemez, iyi bir aktarım için açık bir görüş alanı gereklidir. Bu nedenle mikrodalga aktarım arada hiç bir engel bulunmayacak şekilde konumlandırılmış iki kule arasında uygun hava şartları altında başarılı bir şekilde gerçeklenebilir. 1.1.6 Kızılötesi Dalgalar Uzaktan kumanda aygıtları kızılötesi dalgaları kullanarak veri aktarırlar. Kızıl ötesi dalgalar küçük alanlarda kullanılır. Sinyal gönderen aletin alıcıya yönlendirilmiş olması gerekir. Kızıl ötesi donanım ucuzdur ve antene ihtiyaç duyulmaz. 5

Bilgisayar ağlarında oda boyutunda bir alan içinde haberleşme gerçeklenecekse kızılötesi teknoloji kullanılır. Bilgisayar ile yazıcının haberleşmesi buna bir örnek olabilir. 1.2 Bir Sinyal Üzerinde İletilebilecek Veri Miktarı Her iletim sisteminin bir bantgenişliği vardır ve veri iletimi sırasında bu bantgenişliğinin üzerine çıkılamaz. Bantgenişliği bir iletim hattında taşınabilecek en fazla frekansa sahip sinyali gösterir ve Hertz (Hz) ile ölçülür. Eğer bir iletim hattının kapasitesi 5000 Hz ise bu sistem saniyede 5000 ya da daha az salınım yapan sinyalleri iletebilir. Sonuç olarak, radyo dalgaları, ses, ışık, elektrik akımını kullanan tüm veri iletim sistemlerinin bir bantgenişliği vardır. 1920lerde Nyquist, B bantgenişliğine sahip bir hattın, V voltaj seviyesi kullanması durumunda (ki bu ikili sistemlerde 2 dir), aktarılabilecek en fazla veri miktarının (D) aşağıda gösterilenden fazla olamayacağını ispatlamıştır. D = 2Blog 2 V Buna göre 3 000Hz kapasiteli bir hat üzerinde iki seviyeli aktarım yapıldığında 6 000b/sn iletim kapasitesinin üzerine çıkılamaz. 1948 de Shannon bu çalışmaya sinyal-gürültü (S/N) oranını da ekleyerek gerçek kapasitenin sistemdeki gürültüye de bağlı olduğunu ve aktarılan veri miktarının, voltaj seviyesi ne olursa olsun, etkin/efektif kapasiteden (C) fazla olamayacağını göterdi. C (saniyede aktarılan bit miktarı) = Blog 2 (1+S/N) Sinyal-gürültü oranı hattın fiziksel özelliklerine bağımlıdır ve, genelde, decibel(db) birimi ile 10log 10 S/N şeklinde ifade edilir. Bu oran analog telefon hatlarında 30dB dir. Bu da S/N nin 1000 olduğunu gösterir. Bu da, bantgenişliği 3 000Hz olan bir telefon hattında 30 000 bitten fazlasının aktarılamayacağı anlamına gelir. 1.3 Sayısal Verinin Analog Sinyal Üzerinden Aktarılması Sayısal veriyi doğru akım üzerinden taşımak çok zordur. Çünkü oluşan kare dalgalar kolayca bozulabilir. Bu sorun verinin alternatif akım üzerinde taşınması ile çözülür. Taşıyıcı olarak sinüs dalgası kullanılır. Bu dalganın genlik (amplitude), frekans (frequency) ya da fazını (phase) değiştirerek 0 ve 1 ler ifade edilir. Bu yöntemler ile verinin sinüs sinyali üzerinde taşınmasına genlik modülasyonu, frekans modülasyonu ve faz modülasyonu denir. 6

Şekil 1.6 Genlik (b), frekans (c) ve faz (d) modülasyonu ile sayısal verinin(a) ifade edilmesi. [1] den alınmıştır. Şekil 1.6 da görüldüğü gibi her bitin aktarımı için belli bir zaman aralığı ayrılmıştır. Bu teknoloji modemlerde, sayısal veriyi analog iletim ortamlarında taşınabilecek hale getirmek için kullanılır. Faz modülasyonunda faz değişimi 45, 135, 225 veya 315 derece olabilir. Donanım sinyaldeki faz değişimini ölçülebilir. Bu durumda her bir faz değişimine bir bitten daha fazla veri kodlanabilir. Ölçülen faz değişimi kodlanan bitleri de ortaya çıkarır. Bir iletim hattından saniyede alınan örnek sayısı o hattın baud miktarını (baud rate) verir. Alınan her örnek tek bir biti ifade ediyorsa baud rate iletilen veri miktarına (bit rate) eşittir. Örneğin, günümüz modemlerinde genelde saniyede 2400 örnekleme yapılır. Bu da 2400 baud miktarına karşılık gelir. Ancak her örneklemenin birden fazla veri ifade ettiği durumlar olabilir. Örneğin voltaj seviyelerinin arttırılması ya da pek çok faz kayma derecesinin kullanılması gibi. Bu durumda veri miktarı baud miktarının birkaç katı olabilir. Örneğin dört faz kayması iki biti kodlayabilir. Bu da veri miktarını 2400- baud luk bir hat üzerinde 2x2400=4800b/sn ye çıkarmak demektir. Yeni teknolojilerle donatılmış modemler birkaç modülasyon tekniğini bir arada kullanarak, veri miktarını daha da arttırırlar. Örneğin dört faz değişimi ve 4 genlik değişimi, 16 değişime karşılık 7

gelir. 16 değişim dört bit ifade eder. Bu da 2400 baudluk bir hat üzerinde 4x2400=9600b/sn lik veri iletimine karşılık gelir. Veri iletimi gerçekleyen bağlantılar çift yönlü (full duplex ya da duplex), yarı çift yönlü (half duplex), tek yönlü (simplex) olmak üzere gruplara ayrılabilir. Çift yönlü bağlantılarda haberleşme cihazı aynı anda, tek bir bağlantı üzerinden, hem geliş hem de gidiş yönünde veri aktarımı yapabilir. Bu, farklı yönlerde farklı frekansa sahip dalgalar kullanarak günümüz modern modemlerinde gerçeklenebilir. Yarı çift yönlü bağlantılarda aynı anda sadece tek bir yönde aktarıma izin verilir. Tek yönlü bağlantılarda ise bağlantının yönü bellidir ve değiştirilemez. Bağlantıların özellikleri kullanılan teknolojiye göre de değişiklik gösterebilir. 1.4 Çoğullama Teknikleri Çoğullama teknikleri iki ana başlık altında toplanabilir: frekans bölümlü çoğullama (frequency division multiplexing) ve zaman bölümlü çoğullama (time division multiplexing). Ancak günümüzde frekans bölümlü çoğuşamanın bir şekli olan dalgaboyu bölümlü çoğullamanın (wavelength division multiplexing) yoğun bir şekilde kullanılması o konuyu da bir alt başlık olarak ele almamıza neden olmuştur. 1.4.1 Frekans Bölümlü Çoğullama (FBÇ) Değişik frekanslara sahip sinyaller, birbirleri ile karışmayacak şekilde sinyal aralıklarına yerleştirildikten sonra birlikte taşınabilir. Şekil 1.7, üç frekansın çoğullanmasını gösterilmiştir. Şekil 1.7 Üç kanaldan gelen sinyalin FBÇ ile birleştirilmesi. [1] den alınmıştır. 8

Genelde kullanılan yöntem oniki 4000Hz lik ses kanalının 60-108 khz bantına çoğullanmasıdır. 1.4.2 Dalgaboyu Bölümlü Çoğullama (DBÇ) Dalgaboyu bölümlü çoğullamada da frekans bölümlü çoğullamada olduğu gibi, aynı ortam üzerinde, aynı anda, farklı sinyallerin taşınması amaçlanmıştır. Şekil 1.8 de dört dalgaboyu için çoğullama işlemi gösterilmiştir. Farklı dalgaboyundaki sinyaller birleştirici (combiner) kullanarak bir araya getirilir ve varış noktasında bir ayrıştırıcı (splitter) yardımıyla birbirlerinden ayrılırlar. Şekil 1.8 Dört farklı dalda boyunun aynı optik lif üzerine çoğullanması. [1] den alınmıştır. Frekans bölümlü çoğullamadan farklı olarak, dalgaboyu bölümlü çoğullamada dalgaboylarının ayrılması (kırınım ızgarası, diffraction grating) pasif olarak yapılır ve bu nedenle daha güvenilirdir. 1.4.3 Zaman Bölümlü Çoğullama Frekans ve dalgaboyu çoğullamadan farklı olarak, zaman bölümlü çoğullamada veri taşıyan ortamın farklı kaynaklar tarafından zaman içinde paylaşımı söz konusundur. Bir modem tarafından yaratılan analog veri uç birimlerde kodlayıcı-kodçözücü (codec) kullanarak sayısallaştırılır. 4 KHz bantgenişliğindeki bir telefon kanalı kodlayıcı tarafından saniyede 8000 kez örneklenir (125 μsn de bir örneklenerek). Her örneklemede 7 bitlik veri üretilir. Her örnekleme süresi 125 μsn olduğu için çoğullama sırasında her kanala 125 μsn de topladıkları veriyi aktarabilecek kadar süre verilir. Doğal olarak çoğullanan verinin taşındığı kanalın kapasitesi, çoğullanan tüm kanallardan gelen veriyi taşıyacak kadar olmalıdır. Şekil 1.9 daki gibi 24 kanalın çoğullandığı düşünülürse çoğullama kanalının kapasitesi 125 μsn de en az 24x7=168 bit taşıyabilmelidir. Bazı kontrol bitlerinin eklenmesi ile bu sayı şekilde de gösterildiği gibi 193 bite ulaşmıştır. Şekildeki örnek Kuzey Amerika ve Japonya da T1 olarak bilinen taşıyıcının yapısını gösterir. 125 μsn de 193 bit taşınması kapasitenin 1.544 Mb/sn olduğunu gösterir. 9

Şekil 1.9 T1 (1.544 Mb/sn) taşıyıcısının veri yerleşim yapısı. [1] den alınmıştır. Çoğullanmış veri de çoğullanabilir. Şekil 1.10 da dört T1 taşıyıcısının çoğullanması ile oluşan T2 taşıyıcısı (6.312 Mb/sn), yedi T2 taşıyıcısının çoğullanması ile oluşan T3 taşıyıcısı (44.736 Mb/sn) ve altı T3 taşıyıcısının çoğullanması ile oluşan T4 taşıyıcısı (274.176 Mb/sn) gösterilmiştir. Şekil 1.10 T1 verisinin daha yüksek kapasiteli taşıyıcılar üzerine çoğullanması. [1] den alınmıştır. 1.5 Eşzamansız Yerel İletime Örnek: RS-232 RS-232 EIA (Electronic Industries Association) tarafından geliştirilmiş bir standarttır. +15V ve -15V arasında iki voltaj seviyesi kullanarak 15 metre civarındaki birimler ile haberleşmek için kullanılır. Modem, klavye ya da terminal gibi kısa mesafelerdeki birimlere sayısal veri aktarmak için geliştirilmiştir. Veri karakter olarak taşınır. İletim seri yapılır (bitler ardışıl gönderilir). İletimin eşzamansız (asynchronous) olması nedeniyle gönderici ve alıcının koordine olması gerekmez. Gönderen birim belli bir formatta hazırlanan veriyi hatta aktarır. Alıcı ise devamlı olarak hattı dinlemektedir, verinin gelişini bildiren işareti aldıktan sonra gelen veriyi toplar ve karakterleri oluşturur. Her karakterin yedi bitten oluşması gelen verinin işlenmesinde kolaylık sağlar. RS-232 de, eksi voltaj seviyesi 1, artı voltaj seviyesi 10

0 anlamındadır. Hattın boş olduğu eksi voltaj seviyesi ile ifade edilir. Veri gönderileceği voltajın artı değere çekilmesi (0, başlangıç biti) ile ifade edilir ve ardından yedi bitlik karakter verisi gönderilir. Her bit için voltaj belli bir süre aynı seviyede tutulur. Gönderici ve alıcı birimler bu süreye göre ayarlanmıştır. Her karakterin sonuna bir bitiş biti (1) eklenir. 15 0 zaman -15 hat boş başlangıç 1 0 1 0 1 1 0 bitiş hat boş biti biti Şekil 1.11 RS-232 de veri iletimi RS-232 de, başlangıç ve bitiş bitleri de göz önüne alındığında, yedi bitlik karakter verisini taşımak için dokuz bit göndermek gerekir. RS-232 iletim ortamının yapısı ile, haberleşme protokolleri hakkında da bilgi vermeye başladık. Görüldüğü gibi veri aktarımında birimler belli kurallara uymak zorundadır ve haberleşme cihazlarındaki donanım ve yazılımlar bu kurallara uyulmasını sağlar. Bu kurallara standart adı verilir. Uluslararası standartlar ISO (International Standards Organization) tarafından üretilir ve yayınlanır. Bunun dışında ITU (International Telecommunications Union), ANSI (American National Standards Institute), EIA (Electronic Industries Association), IEEE (Intitute for Electrical and Electronic Engineers), IETF (Internet Engineering Task Force) standart üretimine katkıda bulunur. Bu organizasyonlar belli bir konu üzerinde standart üretirken birlikte çalışmaya ya da farklı zamanlarda üretilmiş standartların birbiri ile çelişmemesine özen gösterirler. 11