1.přednáška Úvod
Ing. Bc. Ivan Pravda
1
Osnova přednášek (X32PTS) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.
Poskytované služby, požadavky na přenosovou kapacitu, standardizace Telefonní kanál, metody digitalizace hlasového signálu, PCM30/32 Metody multiplexování, přenosové systémy PDH a SDH Optické přenosové prostředky, WDM Telekomunikační sítě páteřní a přístupové, datové spoje, rozhraní Referenční model OSI, protokolové architektury Sítě ISDN, přepojování okruhů, typy přípojek, přenos dat Sítě ATM, přepojování buněk, vlastnosti Přenosová média, vlastnosti vedení, regenerace digitálního signálu Metalické páry, přeslechy, teoretická informační propustnost Modulační metody, telefonní modemy Systémy xDSL, rozbor vlastností a aplikací Optické přístupové sítě, hybridní sítě a sítě CATV Radiové prostředky, mobilní sítě 2
Doporučená literatura 1. 2. 3.
4.
5.
Jiří Vodrážka, Ivan Pravda: Principy telekomunikačních systémů • Vydavatelství ČVUT, Praha Horst Jansen, Heinrich Rötter a kol.: Informační a telekomunikační technika • Nakladatelství Europa Sobotáles, Praha Jaroslav Svoboda a kol.: Telekomunikační technika (I.díl) - Zprávy, signály, přenosová prostředí • Odborné nakladatelství Hüthig&Beneš, Praha Jaroslav Svoboda a kol.: Telekomunikační technika (II.díl) – Přenos dat, spojovací a přenosové systémy • Odborné nakladatelství Hüthig&Beneš, Praha Jaroslav Svoboda a kol.: Telekomunikační technika (III.díl) – Telekomunikační sítě a služby • Odborné nakladatelství Hüthig&Beneš, Praha
3
1.přednáška Telekomunikační služby a sítě
Ing. Bc. Ivan Pravda
4
Telekomunikační služby a sítě -
Telekomunikační sítě se budují za účelem zprostředkování informací Informace se přenášejí a zpracovávají v podobě signálů, které mají obvykle elektrickou podobu Signál se přenáší na potřebnou vzdálenost v podobě elektromagnetické vlny (určitý kmitočet a vlnová délka) Elektromagnetická vlna se může šířit různým prostředím:
-
-
Metalické vedení (symetrický pár, koaxiální kabel) Mikrovlnný vlnovod Optický vlnovod (vlákno) Volný prostor (radiový přenos)
Pro různé kmitočty elektromagnetické vlny jsou vhodná různá přenosová média (prostředí) Obecně: klesá význam metalických přenosových cest, roste význam cest optických Radiové přenosové cesty ⇒ nezastupitelný význam (mobilita) 5
Délka vlny
c λ= f
[m; m ⋅ s
−1
, Hz
]
- rychlost šíření: c = 3∙109 m·s-1
6
Základní pojmy telekomunikační techniky -
-
-
Telekomunikační technika umožňuje vyměňování informací přes taková prostředí, která nelze běžně překlenout pomocí základních smyslových schopností (zrak, sluch) Dalším úkolem je vytvoření možnosti pro výměnu informací mezi lidmi a stroji na zpracování informací, a také pro výměnu informací mezi stroji samotnými Pojem informace je v telekomunikační technice chápána jako odraz reálného světa vyjádřený formou zprávy, která je vytvořena zdrojem zprávy Každou zprávu lze rozložit na jednotlivé prvky (tzv. elementy) zprávy Abeceda zdroje zpráv = jednoznačně omezený počet prvků, ze kterého je možné vytvořit zprávu ⇒ nespojitá (diskrétní) zpráva Abeceda zdroje zpráv = neomezený počet prvků, ze kterého je možné vytvořit zprávu ⇒ spojitá (analogová) zpráva → okamžité hodnoty spojitě se měnících fyzikálních veličin (teplota, napětí, proud, apod.) Jednotkové množství informace = 1 Sh (Shannon) 7
Průměrné množství informace (tzv. entropie)
H = log 2 s
[Sh; −]
- s je počet prvků abecedy zdroje, z nichž každý má stejnou pravděpodobnost výskytu - V obecném případě však nemusí mít prvky abecedy zdroje stejnou pravděpodobnost 8
Základní pojmy telekomunikační techniky -
Jednotka informace: 1 bit → 1 byte (8 bitů) ⇒ informační propustnost (kapacita) – jednotka informace vztažená na jednotku času – bit/s Základním technickým předpokladem pro vytvoření informačního systému je realizace tzv. sdělovacího, resp. telekomunikačního spoje signál - zpráva přeměněná do konkrétní fyzikální formy, která je vhodná pro přenos určitým prostředím (signály – akustické, optické, elektrické) signál analogový (spojitý) – signál vyjadřující zprávu pomocí neomezeného počtu hodnot určité fyzikální veličiny (např. amplitudy, frekvence, aj.) signál diskrétní (nespojitý) – signál, který je nespojitý buď v čase, nebo v amplitudě, nebo v čase i amplitudě signál digitální (číslicový) – signál nespojitý v čase i amplitudě, vyjadřující zprávu pomocí omezeného počtu hodnot určité fyzikální veličiny (např. jen dvou hodnot) kanál (telekomunikační kanál) – soubor technických prostředků umožňující jednosměrný přenos signálu mezi dvěma místy, bez ohledu na druh použitých prostředků 9
Základní pojmy telekomunikační techniky -
okruh (telekomunikační okruh) – soubor technických prostředků umožňující obousměrný přenos signálu mezi dvěma místy, bez ohledu na druh použitých prostředků, protisměrná komunikace může probíhat pomocí dvou základních způsobů přenosu: -
-
poloduplexní přenos – přenos signálu okruhem střídavě v jednom, resp. druhém směru duplexní přenos – přenos signálu okruhem současně v obou směrech
telekomunikační spoj – soubor technických prostředků umožňující telekomunikační přenos zpráv mezi dvěma místy, bez ohledu na druh použitých prostředků a druh přenosu kód – soustava pravidel pro přeměnu zprávy na signál, resp. jiný název pro abecedu zdroje zpráv, resp. soubor převodních vztahů mezi různými abecedami zdrojů zpráv, kódování zprávy – proces, při kterém se jednotlivým prvkům zprávy (binárním prvkům, slabikám, písmenům, číslicím, obrazovým prvkům, apod.) přiřazují stavy určitých parametrů signálu (amplituda, frekvence, délka impulsu, šířka impulsu, skupina dvoustavových impulsů, apod.) 10
Základní pojmy telekomunikační techniky -
-
-
kódování zprávy lze rozdělit do dvou skupin: zdrojové kódování – kódování, při kterém dochází k redukci objemu původní zprávy, resp. dochází k odstranění redundantních (nadbytečných) informací obsažených ve zprávě, které umožňují následné snížení přenosové rychlosti nutné pro přenos kanálové kódování – úprava signálu redukovaného zdrojovým kódováním, která umožňuje zabezpečit přenášený signál proti chybám a shlukům chyb dekódování zprávy – opačný proces procesu kódování modulace – proces, při kterém se, v závislosti na změně signálu nesoucího zprávu, vyvolává změna určitého parametru elektromagnetického vlnění; používá se zejména pro změnu formy elektrického signálu na vysílací straně kanálu demodulace – proces fyzikálně shodný s modulací; používá se zejména ke změně formy elektrického signálu na přijímací straně kanálu 11
Základní pojmy telekomunikační techniky -
-
-
přenosová cesta – soubor technických prostředků a prostředí, překlenující vzdálenost mezi zdrojem a příjemcem zprávy, po kterém se přenáší vhodně přeměněné elektrické signály zkreslení zprávy (signálu) – jev snižující věrnost původní zprávy (signálu) v důsledku vnějších vlivů (jiných signálů, resp. interferenčních napětí) – nedokonalostmi základních měničů (zkreslení zprávy) – vnitřní vliv – nedokonalostmi telekomunikačního kanálu (zkreslení signálu) – vnitřní vliv – rušením (interferencí) – vnější vliv šum (hluk) – náhodné, resp. systematické vlivy působící na signál v přenosovém kanálu, které mohou vznikat v něm samotném nebo do něj vnikat zvenčí; kvantitativně se vyjadřují šumovým (hlukovým) výkonem nebo napětím
12
Schéma obecného telekomunikačního systému
13
Typy telekomunikačních přenosů -
Telekomunikační přenosy lze rozdělit na tři základní skupiny: hromadné přenosy – jednosměrné přenosy, při nichž se stejná zpráva z jediného zdroje přenáší po společné přenosové cestě (paralelně po mnoha přenosových cestách) k většímu počtu příjemců (např. bezdrátový a drátový rozhlas, bezdrátová a kabelová televize, hromadné dálkové ovládání, apod.) účastnické přenosy – obousměrné přenosy konverzačního typu přes komutační zařízení (např. mezi telefonními účastníky, mezi datovými účastníky a počítačem, apod.) ve veřejné sféře služební přenosy – ostatní jednosměrné i obousměrné přenosy pro dorozumívání, dálkové měření, dálkovou signalizaci a ovládání; obvykle se užívají pro služební účely v neveřejné sféře
14
Typy telekomunikačních přenosů -
-
Přenos zvukových zpráv – přenos hovorové informace (PCM – ITU-T G.711, telefonní kanál (300 až 3400 Hz), přenosová rychlost 64 kbit/s) → snížení přenosové rychlosti (ADPCM – adaptivní diferenciální PCM – ITU-T G.721), vypouštění tichých intervalů v hovoru, kodeky s různými způsoby impulsního buzení a predikce (LD-CELP (16 kbit/s), LD-ACELP (8 kbit/s)), pro mobilní sítě RPE/LTP (13 kbit/s), snížení přenosové rychlosti přináší ztrátu přirozeného zabarvení lidského hlasu Přenos dat – dálkové řízení, měření, ovládání a signalizace (přenosové rychlosti až do 33,6 kbit/s, digitální sítě (přenosové rychlosti až n×64 kbit/s)), propojení lokálních datových sítí (omezený rozsah (stovky metrů až jednotky kilometrů), ale vysoké rychlosti přenosu (jednotky Mbit/s až jednotky Gbit/s)) → uživatelé očekávají, že rychlost komunikace mezi různými lokálními sítěmi bude srovnatelná s rychlostmi uvnitř jedné sítě LAN → ve skutečnosti jsme limitováni technickými, ale i ekonomickými možnostmi ⇒ tzv. úzké hrdlo telekomunikační sítě 15
Typy telekomunikačních přenosů -
Přenos obrazových zpráv - zpracování obrazové informace vychází z rozložení plochy obrazu na řádky a body, které jsou popsány svým jasem a barvou, počet bodů vychází z požadovaného rozlišení, popis barvy je založen na některém z barevných modelů (čtyři složky CMYK (azurová, purpurová, žlutá, černá), tři složky RGB (červená, zelená, modrá)) - pro barevný obraz potřebujeme vyjádřit jas všech barevných složek ⇒ jas bodu pomocí 8 bitů (PCM) ⇒ plně barevný popis bodu v modelu RGB 24 bitů ⇒ digitalizovaný obrazový signál klade vysoké nároky na informační propustnost kanálu (statický obraz (BMP, JPG) – jednotky až desítky kbit/s, pohyblivý obraz (televizní signál – 25 snímků/s, poměr stran obrazu (4:3), řádkový kmitočet (15,625 kHz), šířka pásma pro přenos (6,5 MHz) ⇒ systém PAL (modulace DPCM – 34 Mbit/s na každou barvu)), digitální televize DVB (Digital Video Broadcast) – MPEG-2 (ISO 13818) → úrovně kvality: LDTV (průměrně: 2 Mbit/s), SDTV (průměrně: 8 Mbit/s), HDTV (průměrně: několik desítek Mbit/s) – rozlišení 1440×1152 bodů (4:3), rozlišení 1920×1152 bodů (16:9) 16
Telekomunikační služby -
Službou je v oblasti telekomunikační techniky chápána schopnost uspokojit předem stanovené a dohodnuté požadavky Telekomunikační služba v užším smyslu je pak soubor technických, provozních a organizačních opatření umožňujících určitý způsob dálkové komunikace zajišťující zejména přenos zpráv v různé formě Jeden za subjektů službu poskytuje (poskytovatel, operátor), druhý se subjektů službu vyžaduje (uživatel, účastník) Telekomunikační služby můžeme dělit podle nejrůznějších hledisek:
-
– – – – – – –
dostupnost (veřejná, neveřejná) stupeň regulace státem (pověření, povolení, registrace) vztah k síti (základní, přídavná, doplňková) obsluhované území (místní, národní, mezinárodní) účel (hovorová, datová, multimediální atd.) způsob poskytování (účastnická, uživatelská, podavatelská) stupeň volnosti terminálu (pevná, mobilní) 17
Nároky na telekomunikační sítě -
Přenosová rychlost není zdaleka jediným parametrem, který určuje požadavky na telekomunikační síť. Pro správné dimenzování je třeba znát celou řadu údajů: – – – – – – – –
-
Přenosová rychlost – konstantní či proměnná s parametry max. – min. rychlost, garantovaná, střední apod. Symetrie služby – posuzujeme souměrnost digitálního toku od a k účastníkovi Možný stupeň komprese digitálního toku Maximální přípustná chybovost digitálního signálu mezi koncovými body sítě (např. pro telefonní službu bude větší než pro přenos souborů) Maximální akceptovatelné zpoždění signálu při přenosu (např. pro videokonferenci bude menší než pro přenos textových zpráv) Míra využití přenosového kanálu (např. pro telefonii 50%) Průměrná délka relace Poptávka po službě a její časové rozložení
Souhrnně se schopnost poskytovat služby na určité úrovni pomocí telekomunikační sítě posuzuje pomocí parametrů kvality služby QoS (Quality of Service). 18
Kvalita služby – QoS (Quality of Service) -
Kvalita služby je komplexní pojem, který je pro přenosové sítě a prostředky specifikován v doporučení ITU-T G.1000 Základní kvalitativní kritéria:
-
-
-
rychlost (speed), přesnost (accuracy), dosažitelnost (availability), spolehlivost (reliability), bezpečnost (security), jednoduchost (simplicity), pružnost (flexibility)
Pomocí těchto kritérií se hodnotí všechny funkce související s poskytovanými službami (service management), procesy řízení, zřizování a rušení služeb, provádění servisu a údržby, vlastní kvalita spojení (connection quality), zahrnující sestavení, vlastní komunikaci a zrušení spojení, a také účtování a možnost účastníka řídit službu. Základním měřítkem kvality při přenosu digitálního signálu je chybovost (četnost chyb) ⇒ chybovost se vyjadřuje jako poměr chybně přenesených prvků signálu k celkovému počtu přenesených prvků, kde přenášeným prvkem může být bit, symbol, byte, blok dat, buňka, paket
19
Bitová chybovost BER (Bit Error Rate)
ne BER = vp ⋅t
[−; −, bit / s, s ]
- ne je počet chybně přenesených bitů - vp je přenosová rychlost - t je doba (interval) sledování
20
Kvalita služby – QoS (Quality of Service) -
Základním východiskem je zajištění příslušné kvality služby na straně účastníka Pro kombinace různých typů služeb poskytovaných přes paketově orientované sítě ošetřuje problematiku kvality doporučení ITU-T G.1010. Zde se vedle přenosové rychlosti sledují tři základní kritéria, která se liší podle charakteru služeb: Zpoždění při přenosu (Delay) způsobené šířením signálu na určitou vzdálenost a zejména zpožděním při zpracování signálu v uzlech sítě (např. čekání paketů ve frontách směrovačů) Kolísání zpoždění při přenosu (Delay Variation) Ztrátovost informace (Information Loss) způsobená chybovostí při digitálním přenosu a krátkodobými výpadky spojení vyjadřovaná často v četnosti ztracených paketů PLR (Packet Loss Rate)
21
Kvalita služby – QoS (Quality of Service) Charakter doručování Zpoždění Chyby lze tolerovat do určité výše
Nutný přenos bez chyb
interaktivní <<1 s Konverzace pomocí hlasu a obrazu (telefon, videotelefon) Povely a řízení (např. Telnet, interaktivní hry)
vyžadující odpověď ∼2 s
včasné
není kritické
∼10 s
>>10 s
Hlasové a obrazové zprávy
Audio a video na přání (streaming)
telefax
Transakce (např. elektronické obchodování) a hledání informací (browsing)
Zasílání zpráv a stahování souborů (např. Email, download)
Stahování souborů a přenos dat na pozadí (background)
Základní kvalitativní předpoklady pro různé skupiny služeb
22
Kvalita služby – QoS (Quality of Service) typická rychlost [kbit/s] Přenos zvukové informace (voice, audio) aplikace
telefonie
Symetrie
zpoždění [s]
kolísání zpoždění [ms]
PLR
symetricky
<0,4 preferováno <0,15
<1
<3%
<1
<1
<3%
<10
<<1
<1%
4 až 64
hlasové jednosměrně 4 až 32 zprávy rozhlasové pořady (audio jednosměrně 16 až 128 na přání) Přenos obrazové informace (video) videotelefon TV pořady (video na přání)
symetricky
16 až 384
<0,4 preferováno <0,15
jednosměrně
16 až 384 (pro vyšší kvalitu až jednotky Mbit/s)
<10
<1%
<1%
Základní kvalitativní ukazatele pro přenos zvukové a obrazové informace 23
Kvalita služby – QoS (Quality of Service) četnost chyb BER
<10
zpoždění [s] <2 přípustné <4 <15 přípustné <60 <2 přípustné <4
asymetricky
<1
<0,2
∼0
jednosměrně
<10
∼0
jednosměrně jednosměrně
<10 ∼10
<2 přípustné <4 několik minut několik minut
symetrie
typický objem dat [kB]
hledání informací (browsing) stahování souborů a statických obrázků
asymetricky
∼10
asymetricky
10 až 10000
obchodní transakce
symetricky
aplikace
dálkové řízení a interaktivní hry e-mail (přístup k serveru) e-mail (mezi servery) telefax
∼0 ∼0 ∼0
∼0 <10-6
Základní kvalitativní ukazatele pro přenos dat
24
