1
Wire Propagation Effects
Propagation Effects
Signal changes as it travels
If change is too great, receiver may not beable to recognize it
Distance
Original
Signal
Final
Signal
2
Wire Propagation Effects:Attenuation
Attenuation: Signal Gets Weaker as itPropagates
May become too weak for receiver torecognize
Signal
Strength
Distance
3
Wire Propagation Effects:Distortion
Distortion: Signal changes shape as itpropagates
Adjacent bits may overlap
May make recognition impossible for receiver
Distance
4
Wire Propagation Effects: Noise
Noise: Thermal Energy in Wire Adds to Signal
Noise floor is average noise energy
Random energy, so noise spikes sometimes occur
Signal
Strength
Time
Signal
Noise
Spike
Noise Floor
Error
5
Wire Propagation Effects
Noise and Attenuation
As signal attenuates, gets closer to noise floor
So noise errors increase with distance, even ifthe average noise level is constant
Signal
Strength
Distance
Signal
Noise Floor
6
Wire Propagation Effects: SNR
Want a high Signal-to-Noise Ratio (SNR)
Signal strength divided by average noisestrength
As SNR falls, errors increase
Signal
Strength
Distance
Signal
Noise Floor
SNR
7
Wire Propagation Effects: Noise& Speed
Noise and Speed
As speed increases, each bit is briefer
Noise fluctuations do not average out as much
So noise errors increase as speed increases
One Bit
Noise
Spike
Average Noise
During Bit
Low Speed
(Long
Duration)
One Bit
Noise
Spike
Average Noise
During Bit
High Speed
(Short
Duration)
OK
Error
8
Wire Propagation Effects:Interference
Interference
Energy from outside the wire (nearby motors, otherwires, etc.)
Adds to signal, like noise
Often intermittent (comes and goes), so hard todiagnose
Signal
Strength
Time
Signal
Interference
9
Wire Propagation Effects: Cross-Talk Interference
Cross-Talk Interference
Often, multiple wires in a bundle
Each radiates some of  its signal
Causes “cross-talk” interference in nearbywires
UNSTP
UNSTP
10
Wire Propagation Effects:CrossTalk
Wire Usually is Twisted
Usually, several twists per inch
Interference adds to signal over half twist,subtracts over other half
Roughly cancels out
Simple but effective
UNSTP
Single Twist
Interference
-
+
Signal
11
Wire Propagation Effects:CrossTalk
Terminal Cross-Talk Interference
Wire must be untwisted at ends to fit into connectors
So cross-talk interference is high at termination
Problems severe if untwist more than about 1.25 cm (1/2inch)
Usually the biggest propagation effect
UNSTP
UNSTP
Terminal
Cross Talk
12
Practical Issues in PropagationEffects
Distance limits in standards preventserious propagation effects
For instance, usually 100 meters (328 feet)maximum for ordinary copper wire
Problems usually occur at connectors
Crossed wires
Poor connections
Cross-talk interference
13
Wire Media: UTP to the Desktop
UTP
Dominant for line from desktop to first switch
Inexpensive to buy and install
Rugged: can take punishment of office work
Easily 100 Mbps, 1 Gbps with careful insulation
UNSTP
UTP
First Hub or Switch
14
Categories of UTP
Cat 1 - traditional telephone cabling designed for voiceand not data (2 wire pairs RJ-11)
Cat 2 - certified for transmissions of 4Mpbs (not used innetworks where typical transmissions are >=10Mbps
Cat 3 - certified for transmission up to 10Mbps
in 8 wire pair with RJ-45
not recommended for new installations becausetransmission speeds are > 10 Mbps ~ 100 Mbps
15
Categories of UTP
Cat  4 - certified for transmissions up to 16-20Mbps
Cat 5 - certified for transmission up to 100 Mbps
typical cable in use today
Enhanced Cat 5 - more twists transmission up to 200Mbps
Cat 6 - extra foil insulation
supports up to 600Mbps
16
Wire Media: Optical Fiber
Limited by Distortion
Light entering at different angles travels differentdistances (different number of reflections)
Different ways of traveling are called modes
Light modes from successive bits will begin to overlapgiven enough distance, making the bits unreadable
Light
Source
17
Wire Media: Optical Fiber
Multimode Fiber
Wide core makes easy to splice (50 or 62 microns)
Many angles for rays (modes)
Short propagation distance (usually 200 m to 500 m)
Light
Source
Md B
18
Wire Media: Optical Fiber
Single Mode Fiber
Narrow core difficult to splice (5 or 8 microns)
Only one angle for rays (one mode), so (almost) nodistortion
Longer propagation distance (usually up to 2 km forLAN fiber, longer for long-distance fiber)
Narrow core makes fiber fragile and difficult to splice
Mod B
19
Single Mode Fiber
Single Mode Fiber is very thin
Only one mode will propagate even over fairly longdistances
Expensive to produce
Expensive to install (fragile, precise alignmentsneeded)
Used by carriers to link distant switches
20
Multimode Fiber
Core is thick
Modes will appear even over fairly short distances
Must limit distances to a few hundred meters
Inexpensive to purchase and install
Dominates LANs
21
Graded Index Multimode Fiber
Index of fraction is not constant in core
Varies from center to edge
Reduces time delays between different modes
Can go farther than if core has only a single index offraction (step index multimode fiber)
Dominates multimode fiber today
22
Multimode Optical Fiber andFrequency
Signal Frequency Determines the PropagationDistance before Mode Problems Become Serious
Short Wavelength (high frequency)
Signals do not travel as far before mode problemsoccur
Uses the least expensive light sources
Good for LAN use within buildings
Long Wavelength (low frequency)
Signals travel farther but light sources cost more
Within large buildings and between buildings
23
Wave Division Multiplexing
Use multiple light sources of differentfrequencies
Place a separate signal on each
Increases the capacity of the optical fiber
24
Wire Media: Optical Fiber
Optical Fiber
High speeds over long distances
200 m to 2 km
Costs more than UTP, but worth it on long runs
Good for all links between hubs and switches withinand between buildings in a site network
Optical
Fiber
25
UNSTP
Wire Media: UTP and OpticalFiber
The emerging pattern: UTP from first hub orswitch to desk, Fiber everywhere else on site
UNSTP
26
Wire Media: Coax
Coaxial Cable
Used in cable TV, VCRs
Central wire, external concentric cylinder
Outer conductor wrapped in PVC
Screw-On Connector
Inner
Wire
Outer Conductor Wrapped in PVC
CABLPROV
27
Wire Media: Coaxial Cable
Coaxial Cable
Installed widely today in old 10 Mbps EthernetLANs
ThinNet and ThickNet
Not being used in new installations
Optical fiber more cost-effective for long links
UTP more cost-effective for desktop links
CABLPROV
28
Duplex
Full-duplex transmission: both sides cantransmit simultaneously
Even if only one sends, still full-duplex line
Even if neither is sending, still full-duplex line
A
B
Time 1
Both can send
Both do
A
B
Time 1
Both can send
Only A does
A
B
Time 1
Both can send
Neither does
29
Duplex
Half-duplex transmission: only one cantransmit at a time; must take turns
Still half duplex if neither transmits
A
B
A
B
Time 1
Only one side
Can send
A does
Time 2
Only one side
Can send
Neither does
30
Duplex
Duplex is a Characteristic of theTransmission System, Not of Use at aGiven Moment
In full duplex, both sides can transmit atonce; in half duplex, only one side cantransmit at a time
Still full duplex system if only one side orneither side actually is transmitting at amoment
Still half duplex if neither side actually istransmitting at a moment
31
Wireless Transmission
Infrared -uses light beams to send signalsbetween pairs of devices
Direct - transmitter and receiver are withinline-of-sight of each other
ex. Laptop and printer in same room
Indirect - signal bounces off walls , ceilingsetc.
32
Radio Propagation
Broadcast signal
Not confined to a wire
BEACON
33
Radio Waves
When Electron Oscillates, Gives OffRadio Waves
Single electron gives a very weak signal
Many electrons in an antenna are forced tooscillate in unison to give a practical signal
BEACON
34
Radio Propagation Problems
Radio Propagation is Difficult
Signals are reflected
May arrive at a destination via multiple paths
Signals arriving by different paths can interferewith one another
This is called multipath interference
Nw
35
Radio Propagation Problems
Wires Propagation is Predictable
Signals go through a fixed path: the wire
Propagation problems can be easily anticipated
Problems can be addressed easily
Radio Propagation is Difficult
Signals begin propagating as a simple sphere
Inverse square law attenuation
If double distance, only ¼ signal strength
If triple distance only 1/9 signal strength
BEACON
36
Radio Propagation: Waves
Waves
Amplitude
(strength)
Wavelength
(meters)
Frequency in hertz (Hz)
Cycles per Second
One Second
7 Cycles
1 Hz = 1 cycle per second
37
Radio Propagation: FrequencySpectrum
Frequency Spectrum
Frequencies vary (like strings in a harp)
Frequencies measured in hertz (Hz)
Frequency spectrum: all possible frequenciesfrom 0 Hz to infinity
0 Hz
38
Frequencies
Metric system
kHz (1,000 Hz) kilohertz;  note lower-case k
MHz (1,000 kHz) megahertz
GHz (1,000 MHz) gigahertz
THz (1,000 GHz) terahertz
39
Radio Propagation: ServiceBands
Service Bands
Divide spectrum  into bands for services
band is a contiguous range of frequencies
FM radio, cellular telephone service bandsetc.
0 Hz
Cellular Telephone
FM Radio
AM Radio
Service
Bands
40
Radio Propagation: Channelsand Bandwidth
Service Bands are Further Divided intoChannels
Like television channels
Bandwidth of a channel is highest frequencyminus lowest frequency
0 Hz
Channel 3
Channel 2
Channel 1
Service
Band
41
Radio Propagation: ServiceBands
Service Bands
Divide spectrum  into bands for services
band is a contiguous range of frequencies
FM radio, cellular telephone service bandsetc.
0 Hz
Cellular Telephone
FM Radio
AM Radio
Service
Bands
42
Radio Propagation: Channelsand Bandwidth
Example
Highest frequency of a radio channel is 43 kHz
Lowest frequency of the radio channel is 38 kHz
Bandwidth of radio channel is 5 kHz (43-38 kHz)
0 Hz
Channel 3
Channel 2
Channel 1
Service
Band
Channel
Bandwidth
43
Radio Propagation: Channelsand Bandwidth
Shannon’s Equation
W is maximum possible (not actual)transmission speed in a channel
B is bandwidth of the channel: highestfrequency minus lowest frequency
S/N is the signal-to-noise ratio
W = B Log2 (1 + S/N)
D = 2 B Log2 K (Nyquist’s Theorem)
44
Radio Transmission: Broadband
Speed and Bandwidth
The wider the channel bandwidth (B), thefaster the maximum possible transmissionspeed (W)
W = B Log2 (1+S/N)
Maximum
Possible
Speed
Bandwidth
45
Telephony is Narrowband
Bandwidth in Telephone Channels isNarrow
Sounds below about 300 Hz cut off to reduceequipment hum within telephone system
Sounds above about 3,400 Hz cut off toreduce the bandwidth needed to send atelephone signal
20 kHz
300 Hz
3.4 kHz
3.1 kHz
46
Telephony is Narrowband
Bandwidth in Telephone Channels is Narrow
A radio channel would have to be from 0 to 3.4 kHz(3.4 kHz)
This would mean a maximum possible transmissionspeed of about 35 kbps
20 kHz
300 Hz
3.4 kHz
3.1 kHz
Required Radio Channel
47
Broadband
Two Uses of the Term “Broadband”
Technically, the signal is transmitted in a singlechannel AND the bandwidth of the channel is large
Therefore, maximum possible transmission speedis high
Popularly, if the signal is fast, the system is called“broadband” whether it uses channels at all